Energisimulering, ett verktyg
inf ¨
or de nya EU-direktiv i
bygg-branschen?
Energysimulation, a tool for the new EU-directives in
the building industry
Examensarbete, 15 hp, Byggingenj ¨or, VT 2019
Karl Hjortenholt Carl Olsson
Abstract
The climate changing is affecting everyone, and as a result of this there are new EU-directives being enforced in Sweden. These EU-directives are begining to take hold this year of 2019 for official government buildings, and in 2021 for all new buildings. Sweden as a country now has to adapt to these new directives for the building industry. What these new directives mean is that there must be stronger actions towards our energyconsumption. One possible way to adapt to these changes is by developeing and publishing new energysimula-tion tools that can handle and estimated energyconsumpenergysimula-tion the moment the design from the arcitect is finished in a project. Ecodesigner STAR is one of those new tools. EcoDe-signer STAR can at an early state of a project, with just a few data parameters, craete a well calculated estimated energyconsumption for a building before construction begins. In this rapport a simulated energyconsumption is calculated for a normal house and one bigger apartment building. These simulated values are then compared, analyzed and dis-cussed with real energyconsumption values from the property owners.
The simulated energyconsumption for the normal house, Laken 14 projekt, was 15603 kWh/year compare to the actual energyconsumption value of 12388 kWh/year. Which result in a difference of 3215 kWh/year.
For Marknadsplatsen 3 which is an apartment building, had the simulated energyconsump-tion of 885 000 kWh/year. This was compared to the actual energyconsumpenergyconsump-tion value of 541 874 kWh/year for 2017 and for 2018 it was 547 503 kWh/year. The simulated value here doesn’t include the energy gain from the solar panels on the roof. A teoretical calucation was done for the solar panels energy gain with an assumed value of 900 kWh/m2,year and
from a solar panel area of 384 m2. The result of this was an energy gain for the building
with 345600 kWh/year and resulting in a total simulated energy value of 539 400 kWh/year. A difference with only 2474 kWh/year for 2017 and 8103 kWh/year for 2018.
Although this simulated energyconsumption values seems near the real energyconsumption value, a clear aim towards a climate certificate can’t be done unless there is more ener-gysimulation tools confirming this values. If we would have had more input data from the property owners the result would have been more trustworthy.
Finally with a new energysimulation tools like Ecodesigner STAR there is still need for more testing in both projects of normal houses and bigger more complex projects, for validation and troubleshooting. Hopefully the way of BIM to BEM improves aswell for projects in the future.
Sammanfattning
Eftersom att nya EU-direktiv har formats måste Sverige som land anpassa sig till di-rektiven och byggbranschen också. Redan år 2019 ska alla offentliga byggnader anpassa sig efter direktiven och år 2021 ska alla nya byggnader anpassa sig. Med hjälp av nya anpassade energisimuleringsverktyg blir de nya direktiven lättare att hantera i byggbranschen. Redan tidigt i byggprocessen då arkitekten har designat en byggnad kan nya energisimulerings-verktyg simulera en förväntad energianvädning. Ecodesigner Star är ett sådant energisimulerings-verktyg. En simulerad energianvänding kan göras på en byggnad med bara ett fåtal indata, vilket gör det lätt att testa olika versioner av byggnaden.
Med hjälp av två verkliga projekt, Laken 14 som är en villa belägen i Malmö, och Mark-nadsplatsen 3 som är ett flerbostadshus beläget i Hyllie, tillämpas Ecodesigner Star som ett energianvändningsverktyg. Detta för att simulera energianvändningen för respektive projekt och jämföra den simulerade energianvändningen med verkliga energianvändning.
I studien fann man att Laken 14 hade en simulerad energianvändning på 15603 kWh och en verklig energianvändning 2018 på 12388 kWh. Skillnaden blev alltså 3215 kWh/år.
För projektet Marknadsplatsen 3 fann man att den simulerad energianvändningen blev 885 000 kWh/år. Den verkliga energianvändningen för 2017 var 541 874 kWh och för 2018 var 547 503 kWh. Det simulerade värdet inkluderar inte den tillförda energin från solceller som antogs vara 900 kWh/m2,year och med en area på 384 m2. Detta resulterade i att den totala
simulerade energianvändningen blir 539 400 kWh/year. Skillnaden för energianvändningen år 2017 visar då på 2474 kWh/år och för år 2018 8103 kWh/year.
Trots att den simulerade energianvändningen visar på en liten skillnad, jämfört med verk-lig energianvändning, går det inte att dimensionera efter en miljöcertifiering på byggnaden utan att andra energisimuleringsverktyg som stärker resultaten. För att få en trovärdigare simulering hade mer input data behövs av fastighetsägarna.
Slutligen hade det behövts mer jämförelser i både mindre projekt som villor men också i större projekt som flerbostadshus för att validera programmets trovärdighet och upptäcka ytterligare felkällor.
Förord
Detta är ett examensarbete på 15 högskolepoäng och är den avslutande delen i våran utbildning till högskoleingenjörer i byggteknik vid institutionen för Teknik och Samhälle på Malmö Univer-sitet.
Arbetet utförs under våren 2019 i LaTeX med handledning av Niclas Andersson samt ett sam-arbete med Nolliplan AB och MKB Fastighets AB.
Vi vill rikta ett stort tack till Niclas Andersson som väglett oss framåt i arbetet och bidra-git med en 3D modell, energianvändningsdata och övriga frågor som vi haft.
Vi vill även rikta ett stort tack till Magnus Dulke, Susanne Wisemark och resterande medarbe-tare på Nolliplan AB som hjälpt oss med programvaror, vägledning och licenser till ArchiCAD och Ecodesigner Star.
Avslutningsvis vill vi även rikta ett stort tack till Tea Brajkovic och Christian Sjölund som hjälpt oss med en 3D modell samt energianvändningsdata.
Innehåll
1 Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . 1 1.2 Syfte . . . 1 1.3 Frågeställningar . . . 2 1.4 Avgränsningar . . . 2 2 Metod 3 2.1 ArchiCAD arbetsflöde . . . 32.2 Beräkning av vanliga U-värden . . . 6
2.3 Laken 14 . . . 7
2.3.1 Beskrivning av klimatskal . . . 9
2.3.2 Värme och kylsystem . . . 10
2.3.3 Ventilationssystem . . . 10
2.3.4 Elsystem . . . 10
2.4 Marknadsplatsen 3 . . . 11
2.4.1 Beskrivning av klimatskal . . . 12
2.4.2 Värme och kylsystem . . . 13
2.4.3 Ventilationssystem . . . 13
2.4.4 Elsystem . . . 13
3 Teori 14 3.1 Energianvändning i en byggnad . . . 14
3.1.1 Värmeförluster genom byggnadens klimatskal . . . 15
3.1.2 Fönster . . . 15
3.1.3 Värmeförluster från ventilationen . . . 16
3.1.4 Internvärme - Värme genererad inuti byggnaden . . . 18
3.1.5 Solinstrålning . . . 18 3.1.6 Solceller . . . 19 3.1.7 Fjärrvärme . . . 20 3.1.8 Värmepump . . . 21 3.1.9 Primärenergi . . . 22 3.2 Klimatdata . . . 23
3.3 Krav och certifieringar . . . 23
3.3.1 EU-direktiv . . . 23
3.3.2 Boverkets Byggregler, även kallat BBR . . . 24
3.3.3 Sweden Green Building Council . . . 25
3.3.4 GreenBuilding . . . 25 3.3.5 Miljöbyggnad . . . 26 3.3.6 BREEAM-SE . . . 26 3.3.7 LEED . . . 27 3.4 Lågenergihuskoncept . . . 28 3.4.1 Minienergihus . . . 28 3.4.2 Passivhus . . . 28 3.4.3 Nollenergihus . . . 29 3.4.4 Plusenergihus . . . 29 3.5 ArchiCAD . . . 30
3.5.1 Från BIM till BEM i ArchiCAD . . . 30 3.5.2 IFC export/import . . . 30 4 Resultat 31 4.1 Laken 14 . . . 31 4.2 MKB huset . . . 33 5 Analys 40 5.1 Laken 14 . . . 40 5.2 Marknadsplatsen 3 . . . 40 6 Diskussion 41 7 Slutsats 43 Bilagor 46
Nomenklatur
A Area [m2]
Atemp Arean av samtliga uppvärmda våningsplan, vindsplan och källarplan [m2]
cp Specifik värmekapacitet luft [kJ/kg*◦C]
cp,v Specifik värmekapacitet vatten [kJ/kg*◦*C]
Ebea Byggnadens energianvändning [kWh/år]
Euppv Energi till uppvärmning [kWh/år]
Ekyl Energi till komfortkyla [kWh/år]
Etvv Energi till tappvarmvatten [kWh/år]
Ef Fastighetsenergi [kWh/år]
L Materialskiktets tjocklek [m] Qvv Förluster, varmvatten i avlopp, [kJ]
Qf Värmeförlust i avluft [W]
Qi Infiltrationsförlust (ofrivillig ventilation)
Qmv Avgiven effekt markvärme [W]
Qt Erforderlig uppvärmningseffekt tilluft [W]
Qtr Transmissionsförlust [W]
Qåv Återvunnen effekt i värmeväxlare [W] R Termisk resistans [m2∗◦∗C/W ]
Tav Temperatur avluft (luft eller värmeväxling) []
Tf Temperatur frånluft []
Tf r Temperatur framledning markvärme []
Ti Inomhustemperatur [◦*C]
Tr Temperatur retur markvärme [◦*C]
Tt Temperatur tilluft eller eftervärmning [◦*C]
Tu Utomhustemperatur [◦*C]
Tkv Temperatur tappkallvatten [◦*C]
Tvv Temperatur tappvarmvatten [◦*C]
U Värmegenomgångskoefficient [W /m2∗◦∗C]
Vvv Volym, rlig varmvattenförbrukning [m3]
Vf Volymsflöde frånluft [m3/s]
Vi Volymsflöde infiltration (ofrivillig ventilation) [m3/s]
Vt Volymflöde tilluft [m3/s]
Vmv Volymflöde markvärme [m3/s]
λ Materialets termiska konduktivitet [W /m ∗◦∗C] ρ Densitet luft [kg/m3]
1
Inledning
I följande avsnitt introduceras bakgrunden till de kommande förändringarna i byggbranschen. Nya energisimuleringsprogram blir mer aktuella och förhoppningsvis kan användas som ett verk-tyg redan i projekteringen för att anpassa alla nybyggnationer till Nollenergihuskraven 2021, men hur pass användarvänliga och välfungerande är dessa energisimuleringsprogrammen?
1.1
Bakgrund
Klimatförändringarna blir mer märkbara med tiden och världen kommer allt närmare den glo-bala ökningen på 1,5 grader celsius som är Parisavtalets gräns. För att minska klimatpåverkan i byggsektorn har EU kommit med nya direktiv om att alla nya offentliga byggnader ska vara nära-nollenergi hus år 2019, och år 2021 gäller samma regler för all nybyggnation (Europeiska kommissionen, 2014).
Ett tidigare arbete skrivit av Thomas Gulliksson, Jämförelse av energiberäkningsprogram för byggnader, visar hur väl äldre energisimuleringsprogram presterar i jämförelse till varandra och hur precisa de är. Gulliksson belyser områden som användarvänlighet och kompabilitet med krav från BBR och olika miljöcertifieringar. Beroende på programmets utformning kan misstag göras från användaren om inte programmet är användarvänligt nog (Gulliksson, 2015).
EcoDesigner Star är ett nytt energisimuleringsverktyg på marknaden utvecklat av GRAPHI-SOFT med en beräkningsmotor ifrån tidigare VIP Energy som är utvecklat av StruSoft (GRAP-HISOFT, 2019).
Är detta program ett verktyg för projektörer i framtiden för att tackla EU-direktiven. För nybyggnationer idag används energisimuleringsprogram för att planera den energianvändning byggnaden kommer att ha. Energisimuleringsprogram används även vid projekteringen som en indikator till en miljöcertifiering. Detta gör att behovet av bra energiberäkningar i tidigt skede av byggprocessen ökar och därmed finns det behov av att pröva kvalitén för respektive energi-program.
Ett energiprogram som är välanpassat för användaren och ger goda resultat i projekteringsstadiet gynnar inte bara tillverkarna av programmet, utan även byggfirmor och miljön. Så hur väl kan en verklig byggnad modelleras med hjälp av teoretiska energiberäkningar och hur väl stämmer dessa energiberäkningar med verklig energiförbrukning?
1.2
Syfte
Genom att göra en simulerad energianvändning och sedan se hur väl den stämmer överens med den verklig energiförbrukning i ett projekt, kan både miljömässiga och ekonomiska besparingar göras redan i projekteringen för framtida projekt. Genom att byggherren kan, i tidigt skede, se hur energianvändningen kommer att se ut i byggnaden möjliggörs en flexibilitet att justera eventuella energiläckage, eller göra nya tillägg till byggnaden om det skulle behövas. Detta underlättar projekteringen av nybyggnation så som ombyggnation mot framtida krav och certifieringar. I längden hoppas vi att detta leder till att byggnader inte endast ses som en belastning på klimatet utan en kompensation för ytan den ersätter.
1.3
Frågeställningar
Hur väl kan en verklig byggnad modelleras med hjälp av teoretiska energiberäkningar och hur väl stämmer dessa energiberäkningar med verklig energiförbrukning? Kan EcoDesigner STAR användas vid planering för en miljöcertifiering? Kan Ecodesigner Star användas i tidigt skede av projekteringsprocessen för att öka flexibiliteten i projektet?
1.4
Avgränsningar
Vi kommer endast ta hänsyn till bostadshus inom Malmö regionen och i studien används endast Revit för granskning av materialegenskaper, ArchiCAD som program i helhet och ArchiCAD’s inbyggda energiberäkningsverktyg Ecodesigner Star. I samtliga energisimuleringar läggs fokus på energianvändningen.
I Marknadsplatsen 3 projektet tas ingen hänsyn till solceller i energisimuleringen, däremot kom-mer en teoretisk beräkning av solcellernas energitillförsel göras vid sidan om baserat på ett antaget värde för effekt per kvadratmeter.
2
Metod
I denna studien kommer 3D modeller från tidigare byggprojekt användas. Projekten i sin tur är verkliga byggprojekt av befintliga byggnader med en tillgänglig 3D modell samt dokument för byggnadens energianvändning. Alla projekten i studien är tillhandahållna från fastighetsägare som MKB och Niclas Andersson. Laken 14 är ett projekt tillhandahållen av Niclas Andersson och Marknadsplatsen 3 från MKB och beskrivs mer detaljerat nedan i kapitel 2.1 och kapitel 2.2. Modellen från varje projekt exporteras sedan in i ArchiCAD där först en validering görs så inte komponenter eller synliga felaktigheter upptäcks. Efter detta använder man sig av boarean, BOA i varje plan för att kunna skapa en tydlig klimatzon innanför hela byggnadens klimatskal. Därefter görs en energisimulering med hjälp av EcoDesigner Star för att jämföra med verkliga resultat för projektet. Slutligen analyseras varför eventuella skillnader har uppstått och hur man kan åtgärda dessa skillnader för framtida projekt.
Indata i simuleringen tillhandahålls av fastighetsägaren och resterande indata utvinns ur 3D modellen eller antas i studien.
Ur avsnittet Beskrivning av klimatskal beräknas även ett U-värde för fönster, dörrar eller väggar om detta inte framgår av 3D modellen med nedanstående formel.
U = 1/R = d/λ (1)
Där R är värmemotståndet, d är tjockleken på byggnadsmaterialet och λ är värmekonduktivitet på materialet.
2.1
ArchiCAD arbetsflöde
ArchiCAD har en hög detaljnivå när det kommer till energisimulering och används mest senare i designstadiet. Steg för steg vid en energisimulering i ArchiCAD ser ut enligt följande:
Välj Zone tool
definiera namn för zonen och klicka i en sluten polygon för att applicera. Repetera tills alla våningar är inkluderade.
Gå in i 3D View, högerklicka för alternativet Filter and Cut Elements in 3D och aktivera zoner som synliga i 3D view.
Fortfarande kvar i 3D View, se till att zonen går upp hela vägen till nästa bjälklag eller till taket (Se Figur 1-3).
Figur 1: Verifiering av zoner
Figur 3: Justering av zoner
För att påbörja en energisimulering öppna Energy Model Review och välj New thermal block. Lägg till skapade thermal block i Nyskapade klimatzoner. Klicka på alternativ för Uppdatera zoner, vilket leder till att strukturer och öppningar laddas in. Efter det kör en energigranskning så strukturerna och öppningarna visas i Byggnadsmaterial och Öppningar.
Ett viktigt steg innan indata förs in för byggnadsmaterial och öppningar är att verifiera model-len genom att markera ett byggnadsmaterial sedan trycka i ”Visa zonvolymerså ändrar sig 3D modellen till en visningsvy för klimatzonernas byggnadselement, se Figur 4.
Figur 4: Validering av byggnadsmaterial i klimatzoner
Under Building materials finns möjligheten att definiera U-värden för bland annat väggar, golv och bjälklag. Samma princip fungerar för openings som hanterar fönster och dörrar där U-värden, infiltration och solinstrålning för fönster och dörrar. Genom att klicka på kugghjulet uppe till höger är det möjligt att ställa in driftsfall för vilken typ av fastighet som ska simuleras, med redan inställda standard värden för fukttillskott, personvärme och daglig vattenanvändning. Det
är också möjligt att ställa in tidsramar för när byggnaden är i användning, tillsammans med önskad max temperatur samt den lägsta temperatur som för råda i byggnaden.
Nästa alternativ i listan är för miljöinställningar (climate data) där det är möjligt att specificera vilken plats byggnaden befinner sig på, och ladda upp egen fil eller använda Strusoft klimatdata som tar en median på de senaste tioåren. Alternativ för marklutning, relativ fuktighet i luften samt vilken typ av jord det är som byggnaden står på finns att ändra. I miljöinställninigar är det även möjligt att ställa in hur vind och solskyddat byggnaden är i de olika väderriktningarna för mer exakta energiberäkningar. Det finns flera alternativ för driftsystemen i byggnaden, lite färre för gratisversionen men det är möjligt att skapa egna system eller importera egna filer från andra projekt om det skulle behövas. System väljs för uppvärming, kylning och ventilation.
Figur 5: Exempel på driftsystem
I och med att olika driftsystem kan väljas, finns det även olika alternativ för deras energi källor. Energikällornas kostnader kan även ändras efter projektets förutsättningar.
Köldbryggsimuleringen fungerar bara i EcoDesigner Star Pro, men det är möjligt att lägga ute en detaljmarkör där ArchiCAD kan göra en grafisk ritning där det går att se kallras vid exempelvis en balkong.
I Energisimuleringen kan en bas byggnad laddas upp. Med denna är det möjligt att jämföra olika lösningar och visa för eventuella beställare vad skillnaden blir och hur lång tid det tar att tjäna tillbaka investeringen från exempelvis dyrare fönster eller tjockare isolering.
2.2
Beräkning av vanliga U-värden
Nedan visas några vanligt förekommande konstruktionselement som väggar, tak, platta på mark, fönster och dörrar som blir grunden för de antagna värdena. De antagna värdena tillämpas bara då information ej tillkommit från fastighetsägaren, av ritningar eller av 3D modellen. Kon-struktionselementens U-värde hämtas från Tillämpad Byggfysik boken och avrundas med två decimaler (Petersson, B., -Å., 2015).
Väggar 22 mm träpanel 20 mm asfaltboard 170 mm mineralull 45x120 mm träreglar Polyetenfolie 13 mm Gips U-värde = 0,20 W /m2K Tak 13 mm gipsskivor 20 mm träpanel Polyetenfolie Takbalkar av trä Mineralull U-värde = 0,30 W /m2K ´ Platta på mark 150 mm Cellplast 200 mm Betong
Antag mark av lera i malmö U-värde = 0,18 W /m2K
Dörrar
Antaget Entrédörr för Laken 14, komposit, standard enligt Ecodesigner STAR komponentlista U-värde = 1,7 W /m2K
Fönster
Standard fönster U-värde = 2,8 W /m2K
2.3
Laken 14
Laken 14 är en tvåplansvilla placerad i centrala Malmö. Ett garage ansluter villan i byggnadens sydöstläge. Tre intilliggande villor med riktning öster, väster och söder från byggnaden.
Projektet tillhandahölls som en ej komplett 3D modell och utifrån detta har indata hämtats från 3D modellen till en helt ny modell. Den nya modellen är till skillnad från tidigare 3D modell kompletterad med tak samt tillagda och redigerade fönster.
Figur 6: Laken 14 orginal modell från fastighetsägare, sett från nordöst
Figur 8: Laken 14, (Google Maps, 2019a)
Nedan ges tillhandahållen data från fastighetsägaren och egen antagen data. Given data
Årsförbrukning elenergi 2018: 12388 kWh
Beräknad årsförbrukning vatten & avlopp 2018: 123 kbm (m2)
Antagen data
Garaget samt uterummet inte har någon värmetillförsel och att energianvändning för dessa de-larna är försumbara. Dock så skyddar garaget och uterummet delvis från vind och solstrålning från sydost i simuleringen.
Tak som kompletteras beräknas med en vinkel på 45 grader och ett taköverhäng på 185 mm. Eftersom modellen ej var komplett så har ett triangulärt fönster med bredden 910 mm och höjden 710 mm tillförts på västra sidan.
Likaså har en balkongdörr med bredden 1010 mm och höjden 2032 mm tillförts på östra delen av huset och sex stycken fönster med bredden 600 mm och höjden 1600 mm i söderläge på taket. Slutligen ett fönster med samma dimensioner på takets norra sida.
2.3.1
Beskrivning av klimatskal
Ytterväggarna ur 3D modellen består av utifrån och in: 5 mm Vit puls
120 mm Tegelvägg
10 mm Luftspalt, R-värde = 0,20 W/m*K 150 mm Väggisolering, λ-värde = 0,036 W/m*K
120 mm Tegelvägg, λ-värde = 0,6 W/m*K 5 mm Vit puls
På södra fasaden sitter 18 stycken 910x710 mm (BxH) fönster, två stycken 610x610 mm fönster och på taket sitter sex stycken 600x1600 mm fönster.
På västra fasaden sitter sex stycken 910x710 mm fönster. Två stycken 610x610 mm fönster. På norra fasaden sitter nio stycken 910x710 mm fönster. Två stycken 610x610 mm fönster. En dörr med bredden 1010 mm och höjden 2032 mm samt på taket ett fönster med bredden 600 mm och höjden 1600 mm.
På östra fasaden sitter en balkongdörr med bredden 1010 mm och höjden 2032 mm. U-värde för väggen
Totala R-värde = 0,2+(0,15/0,036)+(0,120/0,6)=4,57 m*K/W U-värde för väggen = 1/R-värde = 1/4,57 = 0,22 W /m2K.
Beräkningen ovan sker med framtagna R-värde för en ventilerad tegelfasad, λ-värde för minera-lullsisolering och λ-värde för tegel. (Petersson, B., -Å., 2015)
U-värde för taket
Antaget U-värde för taket är 0,3 W /m2K.
U-värde för platta på mark
Antaget U-värde för platta på mark på 0,18 W /m2K.
U-värde för fönster och dörrar
Antaget U-värde för de större fönster på fasaden är 2,09 W /m2K, för de mindre på fasaden är
antaget U-värde 2,13 W /m2K och antaget U-värde för fönster på taket är 2,09 W /m2K.
Dörrarna antas ha U-värde 1,7 W /m2K.
2.3.2
Värme och kylsystem
Värmesystem består av en gammal värmepump, byggnaden har också golvvärme samt är kopplad till jordvärme.
2.3.3
Ventilationssystem
I projektet antas ett självdragssystem som ventilation.
2.3.4
Elsystem
Den köpta elen till hushållet är ursprungligen utvinnen ur 51 % vindkraft, 48,8 % vattenkraft och 0,02 % solkraft.
2.4
Marknadsplatsen 3
Marknadsplatsen 3 är ett flerbostadshus i Malmö där ena delen av byggnaden sträcker sig upp till tio våningar och den andra delen har sju våningar. Projektet tillhandahölls i filformatet Revit som en komplett 3D modell. Eftersom Marknadsplatsen 3 räknas som ett mer komplext projekt så görs en modellvalidering vid export från Revit till en IFC (Industry Foundation Classes). Exporten utförs genom skapandet av IFC fil med en väl definierad kunskap. Denna IFC filen importeras sedan in i ArchiCAD där en fördefinierad translator översätter kunskapen till ArchiCAD. I projekt av denna storleken är det många aktörer inblandade och mycket av informationen vi använder oss av är fördefinierat. I följande energisimulering används zonen Ätempsom valideras efter import och anpassas efter behov.
Figur 9: Marknadsplatsen 3 som tillhandahållen 3D modell Nedan ges tillhandahållen data och antagen data
Given data
Tabell 1: Tillhandahållen energidata från MKB för Marknadsplatsen 3 Energityp (Totalt) 2017 2018 Fjärrvärme, energi (MWh) 413 423 Elektricitet (kWh) 37 869 37 509 Energiförbrukning, total (kWh) 541 874 547 503 (normalårskorrigerad) Antagen data
Enligt Google Maps upptäcks även att solpaneler är installerade på taket vilket inte medräknas i denna studie då uppgifter om dessa fattas.
Figur 10: Marknadsplatsen 3, (Google Maps, 2019b) Vid granskning av 3D modellen räknades antal lägenheter från Plan 2 - Plan 7:
• Ettor (1ROK) till 2 stycken. • Tvåor (2ROK) till 4 stycken. • Treor (3ROK) till 5 stycken.
Beräkningen av antalet lägenhet från Plan 8 - Plan 10: • Tvåor (2ROK) till 4 stycken.
• Treor (3ROK) till 2 stycken.
Antagandet görs att det bor 1 person i varje etta och två personer i varje tvåa samt trea. Detta innebär:
=> (6 ∗ 2) ∗ 1 + (6 ∗ 4) ∗ 2 + (6 ∗ 5) ∗ 3 + (3 ∗ 4) ∗ 2 + (3 ∗ 2) ∗ 3 = 192pers (2)
2.4.1
Beskrivning av klimatskal
Väggens U-värde
Ett angivet U-värde på ytterväggen är 0,18 W /m2K som hittas i modellen på väggen mot
väster. De gråa ytterväggarna på innergården består av en stålstomme och har ett U-värde på 0,12 W /m2Koch ytterväggarna med träfasad har ett U-värde på 0,2345 W /m2K. Detta bortsett
från plan 1 till plan 2 av byggnadens yttervägg österut som enligt modellen har 0,4533 W /m2K
Fönster och Dörrar U-värde
För fönster antas ett U-värde på 1,6 W /m2K från Ecodesign STAR’s komponentlista då vilket
typ av fönster det var framgick. För dörrar antas ett U-värde på 2.1 W /m2K då detta gick att
antas av 3D modellen. Takets U-värde
Utifrån 3D modellen kunde ett U-värde på 0,085 W /m2K för det övre taket där solceller sitter
avläsas.
På det undre taket avlästes ett U-värde på 0,0791 W /m2Kfrån 3D modellen.
Platta på mark U-värde
Grundkonstruktionens U-värde framgick inte och antogs till 0,18 W /m2K.
2.4.2
Värme och kylsystem
Fastigheten är försedd med fjärrvärme för uppvärmning men utan kylning.
2.4.3
Ventilationssystem
Fastigheten har ett FTX-system som ventilationssystem.
2.4.4
Elsystem
Elenergins ursprung är okänt i detta projekt dock framgick det av Google maps och 3D modellen att byggnaden har solceller på taket.
3
Teori
I följande kapitel beskrivs bland annat hur en genomgående värmeeffekt balans ser ut för en byggnad vilka faktorer som påverkar byggnadens energianvändning och varför. Klimatdata som används i energisimuleringsverktyg tas också upp, krav och certifieringar och lågenergihuskon-cept som vi har idag. Slutligen beskrivs lite allmänt om programmet ArchiCAD och tillhörande arbetsmoment i det.
3.1
Energianvändning i en byggnad
Energianvändningen i ett hus kan variera beroende på flera faktorer. Det år inte möjligt att kunna bedöma energianvändningen utifrån vilket årtionde som byggnaden är byggt. Det är inte överraskande att nyare hus har lägre energianvändning än äldre hus då nyare konstruktioner ofta-re har tjockaofta-re isolering och tätaofta-re klimatskal än äldofta-re. Däofta-remot så används mer energi i Sverige idag trots att de elektroniska apparater vi använder oss av blir mer energieffektiva tillsammans med bättre isolerade byggnader. Under 2017 hade Sverige en total slutlig energianvändning på 378 TWh. Av detta använde industrisektorn 143 TWh och sektorn för bostäder och service 146 TWh, vilket motsvarar knappt 40 procent vardera av den totala slutliga energianvändningen. Resterande 88 TWh stod transportsektorn för. (Energimyndigheten, 2016)
Figur 11: Illustration av byggnadens energibalans. (Adex., 2015).
En värmeeffektbalans för en byggnad kan se ut på följande sätt. Värmeeffekten som kommer in i byggnaden beror på:
• Solinstrålning, Ps
• Internt genererad värme, Pi
• Värmesystemet, Pw
I och med detta finns det en värmeeffekt som åker ut från byggnaden och beror på: • Transmissionsförluster, Pt
• Ventilationen, Pv
• Oavsiktlig ventilation eller luftläckage, Pov
Vilket innebär att värmeeffektsbalansen kan slutligen kan skrivas som. (Petersson, B., -Å., 2015) Pt∗ Pv∗ Pov= Pw∗ Ps∗ Pi (3)
3.1.1
Värmeförluster genom byggnadens klimatskal
Transmission sker genom en byggnads klimatskal, som består av tak, golv, väggar, fönster och dörrar. Det är klimatskalet som ska skydda byggnaden mot vädret ute samtidigt som det skapar en god inomhusmiljö. skillnaden i temperatur mellan inne och ute kliat som är den drivande kraften för transmition via luften. Transmissionsförluster på grund av värmeledning, konvektion och strålning är den summering av transmitionsförluster som brukar mätas för att få en bild utav vad den totala energimängd som går förlorad genom byggnadens material. Hur stora dessa transmissionsförlusterna blir är beroende på det U-värdet alla de byggnadsdelar i huset har samt arean inne som är i kontakt med en varm inomhusluft. Vid beräkning av hur mycket energi som en byggnad behöver, används den omslutande arean Aom, och sedan jämförs hur stor den är i förhållande till den uppvärmda arean Atemp (kallas också för formfaktorn). Exempelvis om det är högt i tak, leder detta till att formfaktorn ökar, som i sin tur ger en hög formfaktor som ökar förlusterna genom klimatskalets yta. Samtidigt om fönstrens yta är stor, leder detta till ännu mer förluster eftersom U-värdet för dessa är sämre än för väggen. (Axell, M., Fyhr, K., Ruud, S. Sandberg, P.,I., 2009) (Gulliksson, 2015)
Köldbryggor i klimatskalet uppstår där det antingen är högre värmeförluster än övriga delar i klimatskalet. De högre värmeförlusterna uppstår på grund av att ett material med hög värmekon-duktivitet, till exempel stål eller betong, bryter igenom ett material med lägre värmekondukti-vitet. Beroende på storlek kan köldbryggor skapa en låg temperatur på innerytan lokalt eller påverka hela resterand byggnad, och därmed medföra kondensation och kallras. Köldbryggor förekommer vanligen runt infästningar, dörrar, fönster, vid yttre vägghörn samt i anslutningar mellan vägg och bjälklag. (Svensson, J. Westberg, A., 2006)
Transmissionsförlusterna kan beskrivas genom följande uttryck:
Qtrans= Um∗ Aom∗ (∆Tår/1000) (4)
Där Qtransär transmissionsförlusterna genom klimatskalet, Um är värmegenomgångsmotståndet
i respektive byggnadsdel, Aom är arean för respektive byggnadsdel och ∆Tårär
temperaturskill-naden utomhus och inomhus. (Petersson, B., -Å., 2015)
3.1.2
Fönster
Fönster i byggnader består ofta av så kallade två eller tre glas. Utrymmet mellan glasen är täta och de är ofta fyllda med en ädelgas som argon, för att få ett bättre U-värde. Detta är för att
ädelgaser leder värme sämre än luft. Värmeflöde genom fönster ges av
Qfönster= Ufönster∗ Afönster∗ ∆T (5) U-värdet kan beräknas enligt ekvation och med antagandet att gasen mellan glasskivorna endast har värmeledande egenskaper. Detta är dock en förenkling eftersom det i verkligheten uppstår både konvektion och strålning även på insidan av glasen.
3.1.3
Värmeförluster från ventilationen
Värmeförluster från ventilationen är en annan faktor som också påverkar energianvändningen för byggnaden och beskrivs enligt nedan som:
Qvent= cρ ∗ (n ∗ V /3600) ∗ (∆Tår/1000) (6) För att uppfylla rekommenderat och krav på luftkvalitet och inneklimat, är det nästan ett måste med ett ventilationssystem i alla byggnader. Krav för ventilation kan uppfyllas med fyra olika ventilationssystem. Ett utav dessa kallas självdragsventilation (S-system), ett annat system kal-las frånluftsventilation (F-system), till och frånluftsventilation (FT-system) samt till- och frånluft med värmeåtervinning (FTX). (Dahlblom, M. & Warfvinge, C., 2010)
Självdragsventilation är inte det mest relevanta vid nybyggnation, dock så var denna formen av ventilation inte ovanlig innan 1970-talet. Ett S-system drivs av termisk kraft utifrån, detta betyder att det inte finns några fläktar som får luften att cirkulera. Om rumstemperaturen in-ne stiger leder detta också till att självdragsventilatioin-nen jobbar, eftersom varm lufts densitet är mindre än kall leder i sin tur till att den varma luften kan stiga uppåt till frånluftskanaler. Denna temperaturskillnad mellan inne och uteluften gör att det bildas det ett självdrag som suger in ny luft direkt utifrån. Självdrag har alltid haft problemet att luftflödet är beroende av temperaturskillnaden mellan inne- och uteluften, samt att det måste blåsa ute. Skulle skillnaden mellan dessa temperaturer vara lika med noll, eller om det är vindstilla ute, är ventilationen lika med noll. (Dahlblom, M. & Warfvinge, C., 2010) (Larsson, 2017)
Tekniskt sett så fungerar en frånluftsventilation som ett S-system, med den stora skillnaden mellan systemen är att en frånluftsfläkt skapar det undertryck byggnaden behöver, men lufttill-förseln sker fortfarande via uteluftsventiler som är placerade i byggnadens olika rum. På grund av denna fläkt blir systemet inte längre beroende av temperaturdifferensen mellan inomhus och uteluften eller om det blåser ute. Detta ger i sin tur ett jämnt och konstant ventilationsflöde året runt vilket kan vara behagligare än självdrag.
Figur 13: Frånluftsventilation, (Vi värmer Sverige AB, u.å.)
Till- och frånluftsventilation lägger till ett tilluftsaggregat som kan rena luften från partiklar samtidigt som det värmer upp tilluften innan den når människorna i byggnaden. I detta system finns både en tilluftsfläkt samt en frånluftsfläkt som för bort den gamla luften, vilket resulterar i ett jämnare flöde i förhållande till F-systemet. (Larsson, 2017)
Figur 14: Från och tilluftsventilation, (Isab Ventilation, u.å.)
FTX-system, eller till- och frånluftssystem med återvinning fungerar nästan likadant som ett FT-system med den skillnaden att det aggregat som finns i ett FTX-system kan både värma luften och kylas den. Detta är för att den varma frånluften återvinns genom en värmeväxlare, och tack vare detta kan energibesparingar göras då det inte behövs lika mycket energi för att
värma tilluften. Frånluften och tilluften behöver separata kanaler för att systemet ska fungera. FTX är som mest användbart i lokaler som är beroende av riktigt bra luft, exempelvis sjukhus, skolor och fabriker. Ett till- och frånluftsventilation med återvinning ska vara balanserat och samma mängd luft som tillsätts via tilluftsfläktar ska bortföras via frånluftsfläktar, samtidigt som den varma frånluftens energi återvinns i värmeväxlaren. (Larsson, 2017)
Figur 15: Från och tilluftsventilation, (Svensk Ventilation, u.å.)
3.1.4
Internvärme - Värme genererad inuti byggnaden
En relevant aspekt i värmeenergibehov är värmen som genereras inuti byggnaden av människor, elapparater, belysning och annat. Denna typ av genererad värme kallas internvärme. Tidigare studier indikerar på ett resultat av 70 % från hushållselanvändningen kan göra byggnaden till godo i form av värmeenergi vid uppvärmningssäsong.(Boverket, 2007)
3.1.5
Solinstrålning
Solinstrålningen till en byggnad måste också beaktas i energiberäkningar för byggnader på grund av att genom glaspartier och öppningar tar solinstrålningen sig direkt in i byggnaden utan hin-der. Effekten av detta blir att solen värmer upp byggnaden vilket kan vara gynnsamt vintertid men bidra till ett högre kylbehov sommartid. (Ashok, T. P., KiranKumar, G. Saboor, S., 2017) Det finns två olika typer av solinstrålning in i en byggnad. En såkallad långvågig solinstrål-ning där det sker ett strålsolinstrål-ningsutbyte från varmt till kallt på olika ytor. Den andra typen av strålning är kortvågig strålning som antingen förekommer som diffus dagsljusstrålning eller som direkt soltrålning. Diffus ljus beskrivs det ljuset som inte direkt har en tydlig punktkälla, till exempel är himmeln under en solig dag ett tydligt exempel som lyser”i ljusblått. Direkt solljus innebär att det finns en tydlig punktkälla, det vill säga en punkt där man tydligt kan säga att ljuset kommer ifrån, t.ex. som solen. (Dahlblom, M. & Warfvinge, C., 2010)
En skillnad mellan kort- och långvågig värmestrålning sker då strålning passerar ett vanligt fönster där kortvågig strålning släpps igenom men inte långvågig strålning. Detta resulterar i en drivhuseffekt som bidrar till extra värmetillförsel. Värmestrålningen kan beskrivas på följande sätt:
3.1.6
Solceller
Utvecklingen av solceller sedan 1839 fram tills idag är utan tvekan märkbar. Från den låga verkningsgraden med guld som huvudkomponent 1894, till upptäckten av kisel som skulle re-volutionera verkningsgraden hos solcellsmoduler och sedan bli den primära energiförsörjningen för satelliter. Under de senaste åren har solcellsanläggningar byggts i huvudsak som två olika modultyper. Den första modultypen är uppbyggd av kristallina kiselsolceller och den andra är upp¬byggd av amorfa kiselsolceller, eller tunnfilmssolceller som de även kallas (Energimyndig-heten, 2019). En kiselsolcell är uppbyggd som sådant att den har en tunn skiva av ett halvledar-material med kontakter på fram och baksidan. När solens ljus träffar solcellen polariseras den så att framsidan blir negativt laddad medans baksidan blir positivt laddad. Metallkontakterna på fram- och baksidan tar upp laddningen i form av elektrisk ström (Eriksson, 2019).
En kiselsolcell ger endast en spänning på cirka 0,5 volt, vilket är för lågt för att vara direkt prak-tiskt användbara, vilket är anledningen till att den seriekopplas med ett större antal kiselsolceller (vanligtvis ca 30–36 stycken) i en modul. Detta gör i sin tur att de tillsammans kan komma upp i en så pass hög spänning att de kan vara direkt användbara. Exempelvis, skulle en seriekopplad modul kunna användas vid laddning av ett 12-volts blybatteri (Energimyndigheten, 2019). Mellan 80 till 90 procent av dessa två moduler som säljs är av typen kristallin solcellsmodul och har en verkningsgrad på upp till 20 procent (vanligtvis runt 15-16 procent). Kiselsolceller (tunnfilmsmodulerna) består av en tunn film som endast är några mikrometer tjock. Dessa tunn-filmsmoduler blir då 100 gånger tunnare än de kristallina solcellerna. Detta gör att det går åt betydligt mindre halvledarmaterial, vilket sänker tillverkningskostnaden. De har däremot fort-farande något lägre modulverknings¬grad än de kristallina solcellsmodulerna. Under de senaste åren har det också börjat dyka upp så kallade färgsensiterade solceller, som utnyttjar färgämnen i en elektrolyt och nanopartiklar av titanoxid. Dessa är uppkallade efter Michael Grätzel, som gjorde upptäckten, och har därför fått namnet Grätzelceller. Flera företag är på väg att tillverka och utveckla Grätzelceller som kan bli speciellt intressanta vid byggnadsintegrering. Plastsolcel-ler ligger inte så långt efter i utvecklingen. (Energimyndigheten, 2019)
Sveriges solcellsmarknad har under de senaste 20 åren utvecklats en hel del och har sakta ökat. Totalt så ska det ha installerats 4,3 MW solcellskapacitet i Sverige under 2011, vilket var en ökning från 2010 då 2,7 MW installerades. Totalt fanns det under 2011 cirka 15,75 MW i sol-cellskapacitet som installerats i Sverige vilket i sin tur bidrog med ungefär 15 GWh el under det året. Den markanta tillväxten var en följd av att priset i Sverige för solceller mer än halverades under 2010 och 2011. Mot slutet av 2011 var priset för en enskild modul omkring 19 kr/W, och ett typiskt färdiginstallerat system för ett villatak kostade runt 32 kr/W. Under 2012 blev det återigen en ökning då det installerades 8,3 MW samt 2013 då det installerades 19 MW i Sverige. Detta ger en total installerad toppeffekt på 43,1 MW vid slutet av 2013. Det går även att be om statligt stöd för solceller. För perioden 2013 - 2016 har regeringen avsatt 210 miljo-ner SEK för att bidra till en snabbare omställning av emiljo-nergisystemet. (Emiljo-nergimyndigheten, 2019)
Figur 16: Solcellkapacitet, (Fasth E.,-M., 2015)
Bilden ovan visar att det under 2012 installerades en solcelleffekt på 9 MW i Sverige utöver den redan befintliga effekten, var av cirka 1 MW producerades utav fristående system. Totalt så fanns där en effekt på 16 MW av solceller som var nätanslutna system. Däremot var den totala effekten 25 MW men ökade markant under 2013 då energiutvinningen uppnådde 43 MW. Sverige under ett år använder mellan 140 och 150 TWh, och solceller genererar mellan 800 – 1100 KWh per installerad kWp (kWp står för kilowattpeak och mäter toppeffekten som en solcell kan producera givet vissa bestämda förhållanden) under ett helt år. Under 2014 var Sveriges sammanlagda solcellskapaciteten 79,4 MW, vilket i sin tur uppskattningsvis producerar 75 GWh per år. Detta motsvarar den årliga energianvändningen för cirka 3 300 svenska eluppvärmda genomsnittshus där användningen beräknas vara 22 700 kilowattimmar per år/hus. Så även om den effekten inte är så stor jämfört med landets behov, är det ändå en ökning. Dock så är det fortfarande en relativt stor ökning i installerad effekt mellan år 2012, 2013 och 2014. (Eriksson, 2019)
3.1.7
Fjärrvärme
Istället för att ha en egen värmekälla så fungerar fjärrvärme som en gemensam värmekälla för ett större område. Fjärrvärme har med denna lösningen integrerats i städer och bidragit med att hälften av alla fastigheter får sin uppvärmning därifrån. Rättare sagt är det hälften av alla lokaler och bostäder men för flerbostadshus är det runt 90 % som värms upp av fjärrvärmen. Den stora ökningen av fjärrvärme i Sverige beror troligtivs på att det är en väldigt enkel lösning, näst intill underhållsfri och i till exempel i en villa tar fjärrvärmecentralen inte mer plats än ett badrumsskåp (Rydegran, E., 2018).
Fjärrvärmesystem består av tre huvuddelar, fjärrvärmecentralen i fastigheten, ett fjärrvärme nät och ett fjärrvärmeverk. Energi i form av varmvatten som produceras i fjärrvärmeverket och skic-kas sedan ut via rör under marken som är väl isolerade. Primärvattnet som distribueras i rören håller en temperatur mellan 70-120°C tillsammans med ett högt tryck för att vattnet inte ska koka. Efter att vattnet når fastigheten överförs värmen via en värmeväxlare till sekundärvattnet som cirkulerar i fastighetens värmesystem. Byggnadens fjärrvärmecentral har en så kallad shunt-grupp vilket kan reglera temperaturen till värmesystem, det finns även en värmemängdsmätare
för att ge underlag till varmvattenräkniningen. (Dahlblom, M. & Warfvinge, C., 2010)
3.1.8
Värmepump
En värmepump använder sig av en teknik som gör det möjligt att överföra värme från en kall plats, till den plats som man önskar värma upp. Enligt termodynamikens andra huvudsats måste också energi i någon form tillföras. Den verkningsgrad (värmefaktorn), eller COP-värde (Coefficient of Performance), som en värmepump kan nå är upp till 500 procent. Tekniken i en värmepump är i princip densamma som i en kylanläggning, men värmepumpar används då för uppvärm-ning, och kylanläggningar till kylning. (Alvarez, H., 2006) En kompressor är uppbyggd av fyra huvudkomponenter, kondensor, förångare, kompressor samt en strypanordning som alla skapar kompressorprocessen. Det är denna process som gör att värmepumpar fungerar, och kan utvinna värme från omgivningen. I ett exempel med ett kylskåp, så behövs ett köldmedie (så som freo-ner, propan eller ammoniak) som behöver gå från ett högt tryck till ett mycket lägre genom en strypventil. På grund av det lägre trycket, befinner sig köldmediet en mycket lägre temperatur. Det är sedan i förångaren där köldmedlet förångas av värme från omgivningen där maten är och vill kyla. Sedan färdas dessa ångorna till kompressorn. Det är här det återigen komprimeras till ett högre tryck och förs vidare till kondensorn. I kondensorn kondenseras köldmediet till väts-keform och då frigörs värme vilket som kylskåpet för bort. Det är denna värme som används värmepumpar använder sig av, som ett kylskåp fast tvärt om. (Polarpumpen, 2019)
Köldmediet kan föras från kondensorn till förångaren tack vare en strypanordning, (som i de flesta fall är en ventil), här blir vätskan kall och kan skickas med ett lågt tryck till förångaren. Beroende på vilket köldmedium som används, ändras faktorer så som vilket tryck som uppträder i systemet och vilka material som är bäst lämpade. Ammoniak är inte ett ovanligt köldmedium men på 1930-talet började det bli populärt att använda freoner. Användningen av just detta detta köldmedium har på senare tid begränsats då det hade en väldigt negativ inverkan på ozonlagret i stratosfären. Ammoniak är fortfarande vanligt i väldigt stora anläggningar där det behövs hundratals kW kyleffekt. (Gulliksson, 2015) (Polarpumpen, 2019)
Hur effektiva värmepumpar är beror på den så kallade värmefaktorn och förkortas till COP (Co-efficient Of Performance). COP är bestämt utifrån hur mycket energi värmepumpen behöver i förhållande till hur mycket energi som pumpen kan utvinna. Hela processen är beroende av tem-peraturdifferensen mellan förångaren och kondensorn, om differensen är liten blir värmefaktorn högre vilket beror på att kompressorn nu kan använda mindre effekt för att driva processen. Om framledningstemperaturen kan hållas lågt, behöver COP-värdet vara högt. En Byggnad som värms upp med radiatorer behöver ha en framledningstemperatur mellan 45-60°C, men med golvvärme som Laken 14 har behövs det vanligt vis en temperatur mellan 30-45 grader celsius. Detta resulterar i ett högre COP-värde. Beroende på behov och ekonomiska förutsättningar är olika värmepumpar mer lämpade än andra. (Larsson, 2017)
En frånluftsvärmepump är den enklaste sortens värmepump, och är vanligtvis det billigaste alternativet. Dess funktion går ut på att återvinna värme som går ut från huset, från ventilatio-nen, och sedan återför den för att värma huset. luft-vattenvärmepump och luft-luftvärmepump är uteluftsvärmepumpar. Luft-luftvärmepump används ofta till komfortvärme då den också kan fungera som luftkonditionering. Om en den är rätt dimensionerad kan en luft-luftvärmepump i princip värma upp ett hus på cirka 100–150 m2. Dock kräver detta i praktiken att byggnaden
En Luft-vattenvärmepump kan även överföra värme till radiatorerna (som är ett vattenburet värmesystem), men även detta system får problem vid utetemperaturer under -20 grader celsius. aen negativ aspekt med dessa typer av värmepumpar är att den delen av värmepumpen som är utomhus bullrar en del. Detta buller varierar olika mycket beroende på vem tillverkaren är och modell. Ytterligare en nackdel är att uteffekten minskar när utomhus-temperaturen sjunker, detta innebär att värmepumpen levererar minst effekt när den behövs som mest. (Dahlblom, M. & Warfvinge, C., 2010)
En bergvärmepump använder det vatten som finns nere i berggrunden för värme, vilket van-ligtvis ligger på cirka 5 grader celsius. Värmefaktorn för en bergvärmepump är inte lika hög som för en luftvärmepump när temperaturen är hög utomhus, dock så kan en bergvärmepumpen användas med både samma värmefaktor och effekt hela året. För att kunna utnyttja bergvärmen borrars 80–200 meter djupa hål ner i marken, beroende på hur nära berget byggnaden är och hur stort Cop-värde värmepumpen har kan ett hål räcka, eller så behövs flera. Generellt sätt så räcker det med ett hål för en normalstor villa. (Polarpumpen, 2019)
Ytjordvärmepump används för att få tag på värme som har lagrats i marken. En slang läggs ut för att fånga upp värmen. För en villa läggs det ut runt 400–600 m² och på samtidigt som ett djup på 0,6–1,5 m behövs för att få någolunda vettigt resultat. Denna typ av värmepump fungerar bäst i vattenhaltiga jordar. Denna typ av värmepump används främst för hus med hög energiförbrukning. En Sjövattenvärmepump fungerar i princip som en ytjordsvärmepump, dock behövs tillgång till en flod eller en sjö som inte fryser på vintern. Även denna typ av värmepump är bäst lämpad för hus med hög energianvändning. (Polarpumpen, 2019) (Larsson, 2017)
3.1.9
Primärenergi
Primärenergi definieras enligt Nationalencyklopedin som ”energiteknisk term för energi som inte genomgått någon omvandling”. Naturresurserna som inkluderas som primärenergi är råolja, na-turgas, kol och vatten i utbyggda älvar. (National Encyklopedin, u.å.).
Den ovan nämnda primärenergin kategoriserar man som icke förnybar. Förnybar icke fritt flö-dande är en annan kategori av primärenergi där till exempel biobränsle, vattenkraft, biogas, avfall och restvärme ingår. Förnybar fritt flödande inkluderar vindkraft, solkraft, strömmande vatten och vågor. Genom att använda sig av begreppet primärenergi kan man urskilja vart olika energikällor kommer ifrån. Vid till exempel en Livscykelanalys för en produkt, kan jämförelser göras av primärenergin och sekundärenergin. Sekundärenergi är den energi, som efter att den omvandlas efter mänskliga aktiviteter, används till det önskade ändamålet.
Omvandlingsprocessen kallas idag primärenergifaktor och är ett mått på den totala energiåt-gången det krävs för en nyttig Watt (W). (Jernkontorets energihandbok, u.å.)
Figur 17: Primärenergi till slutlig användning, (Jernkontorets energihandbok, u.å.)
3.2
Klimatdata
Den klimatdata som används i studien har SMHI tagit fram i uppdrag från Sveby. Klimatdatan sträcker sig från år 1981 fram till år 2010 och innefattar data från alla kommuner i Sverige. På-tagliga skillnader som märks från tidigare insamlad data är att utetemperaturen är något högre, vindar och solstrålningen indikerar också mot större skillnader. Detta gör att värmebehovet på vintern sjunker medans kylbehovet på sommaren ökar något.
En rapport framtagen av Sveby visar på skillnader mellan värme- och kylbehov med 8 % då man beräknat energiprestanda för ett flerbostadshus och ett kontor då man jämfört gamla klimatfi-lerna (mellan 1965-1984) med de nyligen framtagna (mellan 1981-2010). Uppvärmningsbehovet är också den parametern som för flerbostadshuset ökar med 6% i Bromma 1977”i jämförelse med de nya klimatfilerna för Stockholm. (Levin, 2016)
3.3
Krav och certifieringar
I nedanstående kapitel tas olika krav som utformats i Sverige upp för att bygga enligt vissa standarder. Då nya EU-direktiv uppdagas och implementeras i Boverkets Byggregler, BBR. Även olika typer av certifieringar som GreenBuilding, Miljöbyggnad och BREEAM tas upp för att nämna de vanligaste.
3.3.1
EU-direktiv
Klimatförändringarna märks av mer än någonsin och EU har med hjälp av Parisavtalet skapat en del mål framöver.
EU:s mål för 2020:
• 20 procent lägre växthusgasutsläpp än 1990 • 20 procent förnybar energi
• 20 procent högre energieffektivitet EU:s mål för 2030:
• Minst 40 procent lägre växthusgasutsläpp än 1990 • Minst 27 procent förnybar energi
• Minst 27 procent högre energieffektivitet
Inte nog med det utan till år 2050 vill EU satsa på att minska utsläppen med upp till 90 procent jämfört med 1990 års nivåer.(Europeiska kommissionen, 2014)
3.3.2
Boverkets Byggregler, även kallat BBR
Boverkets ställer idag krav på att en byggnad inte får använda mer än en viss kilowattimmar primärenergi per kvadratmeter och år. En byggnads energianvändning idag beskrivs av Boverket byggregler som den energimängd en byggnad behöver få levererat av köpt energi vid normalt brukande under ett normalår. Där uppvärmning, komfortkyla, tappvarmvatten och fastighetse-nergi är områden som ska täckas av den efastighetse-nergin som levereras för normalt brukande. Varken hushållsenergi eller verksamhetsenergi inkluderas då i kravet. Nedan beskrivs byggnadens ener-gianvändning i kWh/år:
Ebea= Euppv+ Ekyl+ Etvv+ Et(8)
För att få en byggnads primärenergital (kW h/m2) måste energianvändningen under ett år för el,
fjärrvärme, biobränsle, olja och gas divideras med kvadratmeter uppvärmd area, såkallad Atemp.
Kraven för en byggnads primärenergi varierar beroende på vart byggnaden är belägen i Sverige. Enligt kapitel 9 för energihushållning i Boverkets byggregler gäller för Malmö som har klimatzon IV 80 kW h/m2 som högsta tillåtna primärenergital och år för småhus. Likaså är den
genom-snittliga värmegenomgångskoefficienten, Um, för Malmö 0,40 W /m2∗ K för både småhus och
flerbostadshus. För flerbostadshus gäller 85 kW h/m2 som som högsta tillåtna primärenergital.
Nedan visas en figur tagen från Boverkets byggregler kap 9 om Energihushållning på högsta tillåtna primärenergital (Boverket, 2015).
Tabell 2: Primärenergifaktorer. (Boverket, 2015) Energibärare Primärenergifaktor El (P Eel) 1,6 Fjärrvärme (P Ef jv) 1,0 Fjärrkyla (P Ekyl) 1,0 Biobränsle (P Ebio) 1,0 Olja (P Eolja) 1,0 Gas (P Egas) 1,0
Vid ändringar av en byggnad ska byggnaden uppfylla kraven för primärenergital. Gör den inte det så ska följande U-värden i tabellen nedan se till att eftersträvas.
Tabell 3: Eftersträvade U-värden då primärenergital inte uppfylls vid ändring av byggnad, Ui[W /m2K]. (Boverket, 2015) Ui [W /m2K] Uroof 0,13 Uwall 0,18 Uf loor 0,15 Uwindow 1,2 Udorr 1,2
Alla komponenter som installeras och kräver elenergi bör enligt BBR utformas så att effektbe-hovet begränsas och energin används effektivt.
För ventilationssystem ska man vid förändringar eftersträva så att dessa inte överskrider SFP-värden enligt tabellen nedan.
Tabell 4: Maximala värden på SFP (Specifik fläkteleffekt för ett ventilationssystem) respektive SFPv (Specifik fläkteleffekt för ett aggregat). (Boverket, 2015)
SF P, [kW /(m3/s)] SF P v[kW /(m3/s)]
Från- och tilluft med värmeåtervinning 2,0 2,0 Från- och tilluft utan värmeåtervinning 1,5 1,5 Frånluft med återvinning 1,0 1,0
Frånluft 0,6 0,6
I takt med att nya EU-direktiv bildas påverkar detta likaså Boverkets utformning av byggreg-lerna. Ett av dessa kraven är att år 2021 ska alla nya byggnader vara nära noll-energibyggnader. För att möjliggöra detta har Boverket tillsammans med Energimyndigheten skapat webbasera-de utbildningar för att upplysa aktörer som beställare, byggprojektledare, arkitekt, ingenjörer, förvaltare och drifttekniker om nya energieffektivare lagkrav och arbetsmetoder. (Boverket, 2016)
3.3.3
Sweden Green Building Council
Sweden Green Building Council eller SGBC som det förkortas är medlem i World Green Buil-ding Council sedan 2011. Green BuilBuil-ding Council finns idag i 90 länder i världen och bedriver hälften av all världens byggverksamhet. Moderorganisationens riktlinjer är att denne icke är en vinstdrivande organisation utan privat ägande, vara konsensusbaserade, ha representanter från alla branscher i den byggda miljön och präglas av transparent. (Sweden Green Building Council, 2019)
3.3.4
GreenBuilding
Green Building är ett miljöcertifieringssystem som riktar sig till fastighetsägare, förvaltare och idag också bostäder. Detta certifieringssystem var under 2004-2014 ett EU-initiativ som grunda-des i att förbättra energieffektiviseringen i bygg- och fastighetsektorn. Från den första juni 2010
och framåt har Sweden Green Building Council tagit över ansvaret och förvaltar certifieringssy-stemet.
Att byggnaden minskar sin energianvändning med 25% eller jämförs med nybyggnadskraven i BBR är kravet för att Green Building ska uppnås.(Council, 2019a)
3.3.5
Miljöbyggnad
Miljöbyggnad är ett miljöcertifieringssystem som också både ägs och utvecklas av Sweden Green Building Council. Systemet bygger på en mätning av 16 olika punkter för en byggnad som sedan granskas av en tredje part. Då byggnaden fått en certifiering kontrolleras denna vartannat år så att byggnaden fortfarande håller kraven. Vad det gäller energianvändningen kontrolleras detta så den inte är för hög samt mäter om det kommer in för mycket eller lite värme in i byggnaden. Andra kontroller utförs likaså på innemiljön samt hur väl farliga material dokumenteras. Systemet har tre olika nivåer, Guld, Silver och Brons.
Brons innebär att byggnaden uppfyller lagkrav eller existerande rekommendationer.Silver in-nebär att byggnaden såklart uppfyller lagkraven men också lite hårdare krav på bland annat ventilationen, solskyddet och ljudmiljön. Detta ger också en lite tydligare bild att fastighetsäga-ren är engagerad i miljöfrågor. Guld är den svåraste att uppnå och har utöver samma krav som Silver även ett krav på radonhalten inte får vara över en fjärdedel av lagstadgat krav. Byggnaden bedöms även efter två år av människorna som vistas i byggnaden hur de upplever innemiljön. (Council, 2019b)
3.3.6
BREEAM-SE
BREEAM-SE är ett poängbaserat miljöcertifieringssystem utformat för Sverige. Poängen bedöms utifrån byggnadens energianvändning, inomhusklimat, vattenhushållning och avfallshantering. Vad byggnaden ger för utsläpp, val av byggnadsmaterial och förhållande till kommunikations-medel är andra punkter som också poängsätts. Likaså finns det extrapoäng om byggnaden har innovativa tekniska lösningar. Poängen räknas sedan ihop i respektive område och delas med maxpoängen för att få en procenthalt som byggnaden uppfyller.
Figur 19: Primärenergi till slutlig användning, (Sweden Green Building Council, 2013) Nedan ges procentgränser för BREEAM-SE:s olika krav.
OUTSTANDING ≥85% EXCELLENT ≥70% VERY GOOD ≥55% GOOD ≥45% PASS ≥30% UNCLASSIFIED ≤30%
3.3.7
LEED
LEED eller Leadership in Energy and Environmental Design som förkortningen står för anses idag vara det mest internationellt kända bedömningssystemet. Systemet verkar i 165 olika länder och territorium. Kategorierna som LEED behandlar i sin bedömning är lokalitet och transportering, hållbara arbetsplatser, effektiv vattenanvändning, energi och atmossfär, material och resurser, inomhusklimat, nytänkande och så vidare. Utifrån de tidigare nämnda kategorier görs en poäng-bedömning för respektive kategori som adderas ihop och skapar ett slutligt resultat (U.S. Green Building Council, u.å.). Poängen ger följande pris:
40-49 poäng ger Certified 50-59 poäng ger Silver 60-79 poäng ger Gold 80+ poäng ger Platinum
3.4
Lågenergihuskoncept
Lågenergihus innefattar alla byggnader som har mindre energianvändning än de standarder som finns i BBR. Det finns främst fyra lågenergikoncept: Minienergihus, Passivhus, Nollenergihus, Plusenergihus. Då nollenergihus kommer att bli mer aktuellt med de kommande kraven från Europeiska kommissionen, är full koll på definitionen av dessa mer väsentliga än någonsin om en byggnad garanterat ska uppnå dessa krav. Alla dessa fyra koncept är kontrollerade till olika krav, som energikrav, effektkrav med mera. Om dessa krav uppfylls, tillsammans med de från BBR, kan en byggnad klassas som lågenergi. Definitionen för ett lågenergihus samt skillnaden mellan de olika koncepten måste vara tydlig så att missförstånd inte sker.
3.4.1
Minienergihus
Detta är ett av de älde benämningarn på klimatsmarta hus. Detta koncept kom 1998 och var en frivillig kvalitetsmärkning av nybyggda och renoverade hus. Vad som är extra intressant är att bedömningen på byggnadens energiprestanda är framtagen för viktad primärenergi, vilket är hur vi bedömmer vår el idag i Sverige. Alltså, verkningsgrader för system i huset räknas med, samtidigt som det finns viktningsfaktorer för de olika energibärare som använts. I Sverige har Forum för Energieffektiva Byggnader tagit fram en frivillig standard för minienergihus. Se tabellen nedan för vad effekt- och energikraven är för minienergihus.
Tabell 5: Effekt- och energikraven för Minienergihus,(Axell, M., Fyhr, K., Ruud, S. Sandberg, P.,I., 2009)
Minienergihus
Klimatzon Söder Norr Effektkrav
Pmax[W /m2Atemp] 15 19
Pmax200[W /m2Atemp 17 21
Energikrav
Emax[kW h/m2Atemp] 45 55
Emax200[kW h/m2Atemp 55 65
Effektkravet klimatzonerna är 2 W/m2 och år högre satta. På samma sätt skiljer sig energikravet åt beroende på storleken på byggnaden. (Axell, M., Fyhr, K., Ruud, S. Sandberg, P.,I., 2009)
3.4.2
Passivhus
Tabell 6: Energikraven samt effektkraven för Passivhus,(Axell, M., Fyhr, K., Ruud, S. Sandberg, P.,I., 2009)
Passivhus
Klimatzon Söder Norr Effektkrav
Pmax[W /m2Atemp] 10 14
Pmax200[W /m2Atemp] 12 16
Energikrav
Emax[kW h/m2Atemp] 45 55
Emax200[kW h/m2Atemp 55 65
3.4.3
Nollenergihus
Ett nära-nollenergihus är en byggnad som använder sig av passivhus principer och kan kompen-sera för den energianvändning som aktiviteter i byggnaden behöver, under ett helt år. Några lösningar som passivhus använder sig av förutom det täta klimatskalet med god isolering är, vädring under sommartid tillsammans med avskärmning av solen för att inte värmeöverskottet ska bli för mycket. Installationerna i huset är av bästa kvalitet, till exempel värmeväxlare med hög verkningsgrad, förnybara källor till uppvärmningen och effektiv belysning.
Nollenergihus kan om så önskas byggas helt frikopplat från något yttre energiförsörjningssystem, och konstrueras för att vara energimässigt självförsörjande. Detta behöver dock väldigt väldi-mensionerade system som kan klara av att energibehovet varierar över ett år, och hantera det nordiska klimatet. För att uppnå de krav som ställs på ett nollenergihus installeras en mängd olika system så som exempelvis, värme från solfångare och el från solceller och fjärrvärme till uppvärming. Då det inte är omöjligt att huset genererar mer energi än vad som används kan energin säljas tillbaka till näten om byggnaden är kopplat till det. Målet är som tidigare nämnt, är att huset under ett år, inte skall behöva ha något tillskott av energi. Istället ska huset kunna producera lika mycket eller mer energi som köpts. (Axell, M., Fyhr, K., Ruud, S. Sandberg, P.,I., 2009)
3.4.4
Plusenergihus
För att planera ett plusenergihus, planeras grunden som ett nollenergihus och sen försöker pro-jektören göra huset ännu bättre. Detta målet är ofta uppnått genom att det installeras flera solfångare eller flera solceller på fastigheten. Vilket både är för att kunna komplettera den ener-gianvändning som byggnaden har, men också för att nu kunna producera ett överskott av energi under årets gång. Om detta mål uppnås har det verkligen projekterats ett plusenergihus. Som sagt så är ju målet att byggnaden ska generera mer energi än den energi som används under året, och det överskott som genereras säljs tillbaka till elbolagen. (Axell, M., Fyhr, K., Ruud, S. Sandberg, P.,I., 2009)
3.5
ArchiCAD
ArchiCAD är det program, förutom Revit för exporterande och hämtning av indata, som används i studien för energisimuleringar. Nedan tas några viktiga begrepp upp samt energisimulerings-verktyg som använts i ArchiCAD.
3.5.1
Från BIM till BEM i ArchiCAD
Building Information Modelling med andra ord BIM är ett begrepp som används idag för att uttrycka den digitaliserade arkitektoniska designen för en modell. Building Energy Modelling, BEM, som istället stödjer energisimulering är ett växande begrepp där problematiken mellan BIM och BEM inte alltid fungerar. Det finns olika metoder att överföra informationen mellan BIM och BEM som att länka informationen dem emellan. En annan metod är att exportera och sedan importera genom en såkallad IFC fil (Industry Foundation Classes), ett standard filformat för överföring av information via olika plattformar. (Clayton, M.,J., Haberl, J., S., Jeong, W., Kim, J., B. Yan, W., 2014).
Energy Evaluation i ArchiCAD är i inbyggd funktion från Graphisoft. Den är baserad på VIP-Energy och för att analysen av energibalansen ska bli rätt behövs korrekt definierade termiska zoner som är avgränsade, med rätta strukturer och rätt indatat. Resultaten blir presenterade i form av rapporter som innehåller värden som, energianvändning, energibalans och miljöpåverkan. EcoDesigner Star är ett tillägg på den redan befintliga Energy Evaluation och är baserat på samma arbetsflöde. Vad som skiljer EcoDesigner Star åt från Energy Evaluation är att med EcoDesigner Star är det möjligt att följa de standard som sätts av ASHRAE 90.1 och LEED, samt går det att genomföra simuleringar på köldbryggor, att se mängden förnybar energi och jämföra den med den övriga energitillägget. EcoDesigner kan hantera flera zoner och flexibel datajustering, vilket gör det till en uppdaterad version av Energy Evaluation. (GRAPHISOFT, 2014)
3.5.2
IFC export/import
För att göra det möjligt att arbeta med modeller från olika programvaror som Revit och Ar-chiCAD krävs att informationsöverföringen sker på ett korrekt sätt. GRAPHISOFT har i detta fallet gjort ett tillägg till ArchiCAD som möjliggör en översättning av informationen från en IFC fil till ArchiCAD men även export av information ifrån ArchiCAD till en IFC fil.
Översättningen bestäms av användaren och beroende på vilken fördefinierad kunskap IFC filen har behöver man definiera detta i ArchiCAD. (GRAPHISOFT, 2018)
4
Resultat
I följande avsnitt presenteras resultaten ur studien för projektet Laken 14 samt för projektet Marknadsplatsen 3.
4.1
Laken 14
Figurerna 20-21 är uttagna ur ArchiCAD under arbetets gång och illustrerar en färdig 3D modell av Laken 14 projektet gjort efter kompletterande av givna samt antagna värden.
Figur 20: Laken 14 projekt färdigställt
Figur 21: Laken 14 projekt färdigställt
Nedan presenteras färdigställd indata hämtad från ArchiCAD i figurer 23-25 som används vid simuleringen.
Figur 22: Laken 14 data för klimatzoner färdigställt
Figur 23: Laken 14 data för byggdelar färdigställt
Figur 25: Laken 14 data för öppningar färdigställt
Resultatet av Laken 14 projektet visar ett simulerad energiberäkning på 15603 kWh per år, där 10284 kWh/år är från Mark och 5318 är från Elektricitet, se Bilaga A.
4.2
MKB huset
Nedan i figurerna 26-38 visas Marknadsplatsen 3 ,inställningarna för klimatzon, byggmaterial och hur öppningar ser ut tillsammans med ett simulerat energianvändningsresultat.
Figur 27: Marknadsplatsen 3 färdigställt
Figur 29: Indata byggnadsmaterial färdigställt
Figur 31: Indata byggnadsmaterial färdigställt
Figur 33: Indata byggnadsmaterial färdigställt
Figur 35: Indata fönster & dörrar färdigställt
Figur 37: Indata fönster & dörrar färdigställt
Figur 38: Indata fönster & dörrar färdigställt
Resultatet av Marknadsplatsen 3 gav en simulerad energianvändning på 885 MWh per år, där fjärrvärme utgör 675 MWh per år och Elektricitet ger 209 MWh per år, se Bilaga B.
Den simulerade primära energianvändningen resulterade i 1303 MWh per år och ett totalt utsläpp på 45190 kg CO2per år.
5
Analys
I följande avsnitt analyseras resultaten från projektet Laken 14 och projektet Markandsplatsen 3.
5.1
Laken 14
Laken 14 fastigheten fick en simulerad energianvändning på 15603 kWh per år och en verklig energianvändning på 12388 kWh per år. Skillnaden på 3215 kWh per år är en indikation på en för hög simulerad energianvändning.
I energisimuleringen har 3D modellen gjorts från början i programmet ArchiCAD. 3D modellen utförs med en platta på mark, ytterväggar, tak och fönster samt dörrar. Det som exkluderades var innerväggar och annat material inom klimatzonen som inte påverkar energisimuleringen särskilt mycket. Detta på grund av att Revit modellen som tillhandahölls inte var komplett och saknade fönster och tak. Samtidigt uppstod det problematik vid export från Revit till ArchiCAD med rätt översättning samt kunskap i IFC filen.
Indata för ytterväggarna har hämtats från väggstrukturen i den tillhandahållna Revit filen sedan har en U-värdesberäkning gjorts för ytterväggen för att kunna tillämpa det som indata i den nyskapade 3D modellen.
Eftersom 3D modellen som tillhandahölls i projektet inte inkluderade något tak så antogs ett U-värde på det nytillverkade taket. Lutningen för taket antogs likaså till 45 grader med ett takutsprång på 185 mm.
För platta på marken framgick inte heller något U-värde utan där antogs ett rimligt U-värde. När det kommer till fönster så skapades ett triangelformat fönster på husets östra sida men det registrerades ej i energisimuleringen som en fönsterkomponent. Även fönster på taket lades till och registrerades i klimatzonerna. Balkongdörren på övervåningen antogs vara liknande entrédörren och skapades därför med likadana egenskaper vilket kommer påverka energisimuleringen.
5.2
Marknadsplatsen 3
I projektet Marknadsplatsen 3 blev den simulerade energin 885 MWh jämfört med det verkliga resultatet på 541 874 kWh år 2017 och 547 503 kWh för året 2018.
Värt att tillägga är att solceller inte medräknats i simuleringen då detta inte framgick av MKB. Däremot gjordes en överslagsberäkning där 900 kWh/m2,år för solceller beräknades för en yta
på 384 m2 vilket resulterade i 345 600 kWh/år. Marknadsplatsen 3 projektet tillämpades export
möjligheten i Revit till en IFC. Exportinställningarna ändrades ett flertal omgångar för att försöka anpassa och få med så mycket kunskap som möjligt till IFC filen. Efter detta anpassades en så kallad IFC-översättare i ArchiCAD som hanterade och översatte så mycket information som möjligt från IFC till ArchiCAD.
I och med examens tidsbegränsning och storleken på Marknadsplatsen 3 projektet lyckades en energisimulering utföras dock med en del kompletterade och avgränsningar.
