EN1808 Examensarbete,30 hp
Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik, 300 hp
Intuitionen för tillämpad fysik och elektronik, VT 2018
KOMBINATION AV VÄRMEKÄLLOR I FLERBOSTADSHUS
En analys för ekonomisk och miljömässig optimering
Petter Gustafsson
EN1808
Master’s Thesis, 30 Credits
Master of Science in Energy Engineering, 300 Credits
Department of Applied Physics and Electronics, Spring term 2018
Combination of heat sources in multi-family
residentials
An analysis for economic and environmental optimization
Petter Gustafsson
Abstract
The Swedish government have agreed on that Sweden should use their energy 50 % more effective in year 2030 compared to 2005. Today district heating delivers 90 % of the total energy use in Swedish multi-family residentials. One way to reduce the energy demand for heating is to combine district heating with a geothermal heat pump. This solution have Umia AB utilized at the housing cooperative Bärnstenen, with the total of 150 apartments.
This master thesis was carried out of the behalf of Umia Ab in Umeå. The purpose of the thesis was to evaluate Umias solution at Bärnstenen based on economic and environmental savings. Umias solution uses a heat pump with 80 kilowatts heat delivery combined with district heating. This solution was compared to a lager heat pump with 300 kilowatts heat delivery, which corresponds to 70 % of the buildings required heat demand.
The results show that both heat pumps solutions improves the economic and environmental saving compared to only using district heating. Both solutions with geothermal heat pump reduces the sum of the building primary energy as well as the reduction of local carbon dioxide. The reduction of carbon dioxide are annually over 28 800 kilogram with the small heat pump solution, and the environmental saving are even more feasible with the larger heat pump solution.
In the big picture the geothermal heat pump with an power of 300 kilowatt is the best solution. Despite the greater investment cost this solution provides the largest saving at the end of the calculated lifespan.
Sammanfattning
Sveriges riksdag har enats om att Sverige ska vara 50 % mer effektiva i sin energianvändning år 2030 jämfört med år 2005. Idag är fjärrvärme den vanligaste energibäraren vid uppvärmning av flerbostadshus och står totalt för 90 % av den levererade energin till flerbostadshus. Ett alternativ för att reducera den köpta mängden energi till en fastighet är att kombinera den befintliga fjärrvärmen med en eller flera värmepumpar. Det är denna lösning som Umia AB har använt sig av hos bostadsrättsföreningen Bärnstenen i Umeå som består av sju stycken flerbostadshus med totalt 150 lägenheter.
Detta arbete utfördes på uppdrag av Umia AB i Umeå. Syftet med arbetet var att utvärdera Umias tekniska lösning utifrån ekonomiska och miljömässiga aspekter samt att jämföra Umias lösning mot en alternativ lösning. De ekonomiska aspekterna jämfördes genom en livscykelkostandsanalys. Den miljömässiga besparingen studerades både ur ett lokalt men även ett nationellt perspektiv. Umias lösning bestående av en bergvärmepumpseffekt på 80 kilowatt jämfördes mot en alternativ lösning där en bergvärmepumpseffekt på 300 kilowatt användes, vilket motsvarar 70 % av Bärnstenens effektbehov. Båda bergvärmepumpslösningarna studerades i kombination med fjärrvärme.
Resultat visar att en bergvärmepump är ett bra alternativ ur ekonomisk synpunkt. Värmepumpen bidrar även till ett reducerat primärenergital samtidigt som det lokala koldioxidutsläppet reduceras med minst 28 800 kilogram per år vid den mindre bergvärmepumpsanläggningen. Arbetet visar att bergvärmepumpsanläggningen motsvarande 70 % av fastighetens effektbehov är att föredra. Trots en mer kostsam investering erhålls en större besparing vid kalkyltidens slut.
Förord
Denna rapport är ett resultat av mitt examensarbete på masternivå.
Examensarbetet har varit givande och lärorikt samt avslutar nu mina studier på civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitet.
Jag vill här med tacka alla som bidragit och hjälpt mig med mitt arbete. Stort tack riktas framförallt till min handledare Mohsen Soleimani-Mohseni vid Umeå universitet och min handledare Ingemar Sjöström hos Umia AB.
Utöver mina handledare vill jag även rikta ett tack till Ingemar Jonsson för sin expertis och sina goda råd kring värmepumpar och deras integration med andra värmesystem samt till Emelie Fjellstedt som delat med sig av sina kunskaper och tankar kring olika energiteknsika lösningar.
Umeå, maj 2018 Petter Gustafsson
Innehåll
1 Introduktion 1
1.1 Bakgrund . . . 1
1.1.1 Företaget Umia AB . . . 2
1.2 Syfte och mål . . . 2
1.3 Avgränsningar . . . 3
2 Teori 3 2.1 Fjärrvärme . . . 3
2.2 Värmepump . . . 5
2.2.1 Köldmedium och köldbärarvätska . . . 7
2.2.2 Bergvärmepump . . . 7
2.3 Kombination av fjärrvärme och bergvärmepump . . . 9
2.4 Primärenergital . . . 9
2.5 Ekonomi . . . 11
2.5.1 Känslighetsanalys . . . 12
3 Genomförande 12 3.1 Arbetets design . . . 13
3.2 Fastigheten . . . 13
3.2.1 Energibehov . . . 14
3.3 Antaganden och inparametrar . . . 15
3.4 Ekonomi och Energi . . . 17
3.4.1 Känslighetsanalys . . . 20
3.5 Analys av miljö och fastighetsenergi . . . 20
3.5.1 Primärenergital . . . 21
3.6 Analys av den faktiska effektiviseringen . . . 22
3.7 Global uppvärmning . . . 23
4 Resultat 24 4.1 Energi och Ekonomi . . . 24
4.2 Miljö och Primärenergital . . . 25
4.3 Känslighetsanalys . . . 27
4.4 Analys av effektiviseringen . . . 27
5 Diskussion 28 5.1 Energi och Ekonomi . . . 28
5.2 Miljö och Primärenergital . . . 29
5.3 Analysen av effektiviseringen . . . 30
5.4 Jämförelse av uppvärmningslösningar . . . 30
6 Slutsats 31
6.1 Bergvärmepumpens framtid . . . 32
Referenser 33
A Appendix 36
A.1 BRF Bärnstenen . . . 36 A.2 Fjärrvärme & Bergvärme . . . 37 A.3 Bergvärme . . . 39
1 Introduktion
Introduktionen börjar med kort bakgrund kring rapportens arbetsområde samt företaget som arbetet har genomförts med, därefter fortsätter de med arbetets syfte och mål.
1.1 Bakgrund
Fjärrvärme är idag den vanligaste uppvärmningsmetoden när det kommer till bostäder och lokaler i Sverige. Hela 57 % av den totala energianvändningen för bostäder och lokaler består av fjärrvärme, under år 2016 bestod 90 % av den köpta energin till flerbostadshus av fjärrvärme [1]. Den svenska regeringen har satt som mål att Sverige år 2030 ska vara 50 % mer effektiva i sin energianvändning i jämförelse med år 2005 [2]. För att minska den köpta mängden energi för ett flerbostadshus kan en värmepump installeras tillsammans med det befintliga fjärrvärmesystemet. Detta är ett intressant alternativ från både ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv. Det ekonomiska intresset ligger till grund för den årliga genomsnittliga prisökningen för fjärrvärme, som i Sverige har varit 3–4 % mellan åren 2009–2014 [3]. Den miljömässiga besparingen bygger på att ett lägre utsläpp av koldioxid per kilowattimme erhålls vid ett kombinerat uppvärmningssystem. Den svenska elmixen har ett koldioxid utsläpp motsvarande 47 gram per kilowattimme, inräknat den importerade och exporterade elektriciteten [4]. Nyttjas en värmepump med värmefaktor 4, motsvara det ett utsläpp på 11,75 gram koldioxid per producerad kilowattimme värme. Jämförs utsläppen exempelvis mot Umeå Energis utsläpp per producerad kilowattimme fjärrvärme hamnar motsvarande siffra på 55 gram [5].
Bergvärme är en undergren till geoenergi och klassas som en förnyelsebar energikälla. Sverige är det land med högst nyttjande av geoenergi per invånare och energikällan står idag för 20 % av uppvärmningen för de svenska hushållen [6]. För att möjliggöra en installation av en mark- alternativt bergvärmepump i en bostad krävs det att uppvärmningen av fastighetens utrymmen sker genom ett vattenburet system [7], det vill säga samma krav som fjärrvärme har för att kunna fungera. Sker dagens uppvärmning med hjälp av fjärrvärme är det en relativt liten process att installera en värmepump till uppvärmningssystemet.
Vid installationer av värmepumpar kommer elbehovet öka för kunden och i sin tur för hela Sverige. Det betyder att vi kommer behöva importera mer el under de kalla vintermånaderna. Majoriteten av den importerade elektriciteten i Sverige kommer från Norge respektive Danmark. Då Norges elproduktion består
av 97 % förnyelsebara energikällor och Danmarks siffra ligger på 45 % betyder det även att den importerade elektriciteten som förbrukas är av god karaktär för miljön [8].
Berg- och markvärme är en av de populäraste lösningar när det kommer till värmepumpar. Det är även den här lösningen som lämpar sig bäst när det är stora temperaturskillnader mellan årstider, det vill säga kalla vintrar och varma somrar. Temperaturen i jorden är relativt konstant över hela året, speciellt på 100 – 200 meters djup. Därför är mark- och bergvärmepumpen den bäst lämpade värmepumpsanordningen för klimatet i Sverige [9].
1.1.1 Företaget Umia AB
Umia AB i Umeå är det äldsta dotterbolaget inom Umia koncernen. Umia grundades år 2010 och fokuserar på helhetslösningar inom energitekniska lösningar för byggnader. Umia bygger sin verksamhet på Umiamodellen, vilket innebär att de jobbar som en och samma grupp inom de underliggande teknikerna. Detta leder till att slutresultatet blir det bästa möjliga för kundens intresse, så som maximal energioptimering, resurseffektivitet och kvalitet.
Umia AB i Umeå har installerat värmepumpar i flerbostadshus i Umeå för att minska den köpta mängden energi för byggnaderna. Umias lösning bygger på att de installerade värmepumparna höjer temperaturen på för det interna radiatorsystemet, det vill säga att värmepumparna producerar ingen värme till tappvarmvattnet. Inför installationen av värmepumparna utfördes beräkningar för att få en teoretisk förståelse hur den levererade energin från värmepumparna inverkar på energibehovet från fjärrvärme. Genom beräkningarna erhölls även de ekonomiska vinningarna som en form av den minskade mängden av köpt fjärrvärme.
1.2 Syfte och mål
Syftet med projektet är att utvärdera Umias tekniska lösningar utifrån tänkta ekonomiska vinster samt se om det finns parametrar som de ej har tagit i beaktning för att möjliggöra ytterligare ekonomiska vinster för konsumenterna (flerbostadshus där värmepumpar är installerade). De ekonomiska vinsterna kombineras även med miljömässiga besparingar som uppstår som en effekt av det minskade fjärrvärmebehovet. Arbetet ska även ge Umia en ökad förståelse kring dimensionering av värmepumpsanläggningar för framtida installationer av kombinerade uppvärmningssystem.
Arbetet var uppdelat i fyra mål som undersökts, målen var följande:
• Undersöka de ekonomiska vinsterna vid olika uppvärmningskombinationer
• Studera miljömässiga besparingar vid kombination av värmekällor.
• Undersöka bergvärmepumpens potential i framtida klimat.
• Bestämma den befintliga värmepumpsanläggningens verkliga effektivitet.
1.3 Avgränsningar
Arbetet har avgränsat till att enbart undersöka kombinationen av fjärrvärme och värmepump.
2 Teori
Teorin ger läsaren en inblick i de bakomliggande teoretiska tankarna samt grunderna till de beräkningar som nyttjats i arbetet.
2.1 Fjärrvärme
Fjärrvärme är den mest populära uppvärmningsmetoden när det kommer till hushåll och lokaler i Sverige. En stor anledning till fjärrvärmes populariteten grundar sig i bekvämligheten. För att kunna använda fjärrvärme måste huset vara kopplat via en undercentral till fjärrvärmenätet. En undercentral är en liten anläggning där fjärrvärmevattnet överför sin energi till det vattenburna värmesystemet i huset via en eller flera värmeväxlare, se illustration i figur 1 [10].
Figur 1 – Principskiss över fjärrvärmenätets uppbyggnad mellan producent och konsument [11].
Radiatorkretsen är ett slutet system. Returvattnet från radiatorerna värms upp på nytt genom en värmeväxlare innan det återvänder till radiatorerna för att överföra sin energi till omgivningen. Tappvarmvattnet är inget slutet system, utan det inkommande kranvattnet går genom en värmeväxlare innan det når kranen och där efter avloppet, vilket även indikeras i figur 1 .
Den tillförda energin i Sveriges fjärrvärmeverk varierar, de två dominerande bränslena består av restprodukter från skogsavverkningar även känt som GROT (grenar, rötter och toppar) samt hushållsavfall [12]. Fjärrvärme kan produceras på tre olika tillvägagångssätt, genom fjärrvärmeverk som enbart producerar värme till fjärrvärmenätet via förbränning, genom kraftvärmeverken som kombinerat producerar värme och elektricitet via förbränning, och slutligen nyttjas spillvärme som tillvaratas från de stora industrierna [13].
Mellan åren 2015–2016 importerades över 2,6 miljoner ton avfall varav den störta majoriteten var från Norge. Sverige importerar mer än 50 % av Norges hushållsavfall och använde det som bränsle i fjärrvärmeverken [14], [15]. Trots att majoriteten av den tillförda energin i fjärrvärmeverken anses vara bra ur ekologisk hållbarhet, står fortfarande mer än 10 % av den tillförda energin från fossila bränslen [8].
Energipriset för fjärrvärme variera över året. Det vanligaste är att fjärrvärmen är billigast på sommaren, då behovet är som minst och dyrast på vintern när alla vill ta del av energin i fjärrvärmenätet.
2.2 Värmepump
En värmepumps funktion grundar sig i termodynamikens lära, det vill säga läran och kunskapen om energi och dess omvandling. Termodynamiken går specifikt in på energins omvandling mellan värme och arbete. Enligt Clausius redogörelse inom termodynamiken kan värme från en lägre temperaturnivå ej överföras till ett medium med högre temperaturnivå via naturlig väg. För att möjliggöra denna övergång måste extern energi tillföras. Det är enligt denna redogörelse som en värmepump arbetar, genom att tillföra extern energi i form av elektricitet transporterar värmepumpen värme/energi från den kallare temperaturnivån till det varmare mediet och på så vis möjliggörs en temperaturhöjning för det varmare mediet [16]. Arbetet hos värmepumpen utförs genom en omvänd Carnot cykel. Genom en sluten kompressorcykel, se figur 2, bestående av en kompressor, kondensator, expansionsventil samt en förångare leds ett köldmedium med lämpliga termodynamiska egenskaper [17].
Figur 2 – En värmepumps arbetscykel samt dennes huvudkomponenter [18].
Det är även enligt denna cykel som en kylanläggning fungerar, det vill säga i ett klimat där somrarna är varma och vintrarna kalla kan en värmepump användas för att kyla under sommartiden och för att värma fastigheten under vintertiden.
En värmepumps effektivitet benämns vanligtvis som coefficient of performance och förkortat COP. Coefficient of performance definieras som kvoten mellan avgiven effekt från värmepumpen i form av värme och tillförd energi vanligtvis i form av elektricitet, se ekvation 1
COP = Avgiven effekt
Tillförd eleffekt = QH
Wnet,in. (1)
Enligt termodynamiken första lag, energiprincipen, kan energi ej kan skapas eller förstöras utan enbart omvandlas. För en anläggning som jobbar i en cykel måste följande då gälla
QH = QL+ Wnet,in. (2)
Vilket ger att COP kan presenteras på följande sätt
COP = QH
QH − QL = 1 1 − QQH
L
. (3)
I ekvation 2 & 3 är QH den avgivna energin från värmepumpen och QL den energi som transporterats från det kallare mediet. För en reversibel Carnot cykel för värmepumpar, gäller det även att COP kan beräknas enligt:
COP = QH
QH − QL = 1 1 − TTL
H
(4) där TH och TL är temperaturen på den varma respektive kalla sidan av arbetscykeln [16]. Ekvation 4 visar att verkningsgraden blir mindre då temperaturen utomhus eller i marken sjunker på grund av den ökade temperaturdifferensen.
2.2.1 Köldmedium och köldbärarvätska
Ett köldmedium är ett medium som transporterar energin mellan den kalla och varma sidan inuti värmepumpen i ett slutet system. Köldmediet är dimensionerat så att mediet börjar koka efter expansionsventilen börjar koka i förångaren på grund av det låga trycket samt den ökade temperaturen. Eter temperaturhöjningen komprimeras köldmediet som övergått till ånga genom en kompressor, i kompressorn höjs temperaturen ytterligare då processen ej är isentropisk. Ett köldmedium identifieras med bokstaven R (som står för Refrigerant). Det finns många medier som kan användas som köldmedium men urvalet är begränsat då medierna önskas vara giftfria. Mediet ska inte vara brännbara, inte korrosiva och inte påverka miljön på ett negativt sätt, dock skal mediet ha bra termodynamiska egenskaper [19].
Köldbärarvätskan är vätskan som går mellan värmeväxlaren i förångaren via och borrhålet via en kollektorslangen. Köldbärarvätskans uppgift är att transportera upp värmen från berggrunden till värmepumpen. Den köldbärande vätskan består vanligtvis av en blandning mellan vatten och en frost skyddande vätska, där bioetanol är ett exempel på en frostskyddande vätska som samtidigt är miljövänlig [20].
2.2.2 Bergvärmepump
En markvärmepump fungerar på samma sätt som en bergvärmepump, skillnaden är dock att markvärmepumpen hämtar sin energi från horisontella kollektorslangar som är nedgrävda på 1–2 meters djup istället för vertikala
borrhål.
Som tidigare nämnt kan en bergvärmepump även användas till att kyla fastigheter. Det möjliggörs genom att värme transportera från fastigheten ner i den svalare berggrunden, det vill säga vid nyttjande av kyla med en bergvärmepump lagrar man energi från fastigheten i berggrunden.
Vid uppvärmning med en bergvärmepump använder den sig av den lagrade energin i marken/berggrunden och transporterar energin till den fastighet som önskas värma upp, se figur 3.
Figur 3 – Ett exempel på en bergvärmes funktionalitet [18].
Den lagrade energin i marken består huvudsakligen utav solenergi. Transporten av energin sker med hjälp av en köldbärare via en kollektorslang som är placerad i borrhål.
2.2.2.1 Borrhål
Borrhålens djup varierar oftast mellan 100–250 meter beroende på djupet till berggrunden samt vilken typ av bergart som återfinns då olika bergarter har olika värmeledningsförmågor. I de borrade hålen placeras en kollektor slang så att ett U bildas, illustreras av de gula slingan i figur 3. För borrhål som ej konkurrerar med andra borrhål sker en naturlig återföring av energi genom att solvärme från markytan strömmar neråt i berggrunden.
Finns det däremot flera borrhål inom en liten radie kan det inträffa att berggrunden inte räcker till och effektuttaget blir då sämre. Är detta fallet kan även temperaturen i berget sjunka så mycket att det i framtiden måste tillföras energi till borrhålet för att fortsatt kunna använda bergvärmepumpen [19].
2.3 Kombination av fjärrvärme och bergvärmepump
För att minska den köpta mängden energi för en bostad eller lokal kombineras ibland en värmepump tillsammans med fjärrvärme. Den minskade andelen köpt energi i from av fjärrvärme kommer delvis täckas av elektricitet. När en värmepump kombineras med fjärrvärme finns det två huvudsakliga kopplings alternativ, det första är att både värmepumpen och fjärrvärmen används för både uppvärmning och tappvarmvatten. Det andra alternativet är att enbart nyttja värmepumpen i uppvärmningssystemet. Det sistnämnda alternativet ger en enklare installationslösning och där med mindre kostsam. Fördelen med att kombinera bergvärme med fjärrvärme är att fjärrvärmen behålls som en reserv-energikälla utifall att något skulle ske med värmepumpen [21].
2.4 Primärenergital
Primärenergitalet, EPpet, är det nya måttet på en byggnads energiprestanda och infördes av Boverket i deras byggregler sommaren 2017. Kraven som ställs i Boverkets byggregler gäller bostäder vid nybyggnation.
Tidigare nyttjades något som kallades ”specifik energianvändning” men 1 juli 2017 infördes istället primärenergitalet som en del av införandet av EU:s direktiv för energiprestanda i byggnader. Fördelen med det nya primärenergitalet är att den använder en viktningsfaktor, primärenergifaktorn P Ei, beroende på vilken energibärare som levererar energi till en fastighet samt att det geografiska läget har tagits i beaktning. I övrigt är den lik den specifika energianvändningen som definierades som levererad energi per golvarea [22]. Primärenergitalet beräknas enligt:
EPpet =
P6 i=1
E
uppv,i
Fgeo + Ekyl,i+ Etvv,i+ Ef,i· P Ei
Atemp (5)
Euppv,i = Energi till uppvärmning, [kWh/år]
Ekyl,i = Energi till komfortkyla, [kWh/år]
Etvv,i = Energi till tappvarmvatten,[kWh/år]
Ef,i = Fastighetsenergi, [kWh/år]
Fgeo = Geografisk justeringsfaktor P Ei = Primärenergifaktor
Atemp = Uppvärmd area över 10°C hos fastigheten.
Primärenergi ger en helhetsbild kring den energi som krävs för att producera/utvinna en energibärare samt att transportera den till konsumenten.
Primärenergi är den naturliga energin som återfinns som naturresurser, exempelvis sol, vind och uran med mera, se illustration i figur 4. När det gäller elektricitet finns det förluster under transporten, det är dessa förluster som primärenergin tar hänsyn till.
Figur 4 – Primärenergins förhållande till den slutliga användningen [23].
Förhållandet mellan primärenergin och den slutliga nyttjade energin är det som kallas för primärenergifaktorn. Är den slutliga energianvändningen 10 kilowattimmar medans utvinning och transport av energibäraren kräver 20 kilowattimmar erhålls en primärenergifaktor 2 [23].
Det som primärenergifaktorn inte tar hänsyn till på samma sätt är utsläppen av koldioxidekvivalenter. Ett exempel är att elektricitet från vattenkraft (PE = 1,1) har samma primärenergi faktor som förbränning av naturgas (PE = 1,09). Dock
är utsläppen av koldioxidekvivalenter över 190 gånger större vid nyttjandet av naturgas [24].
2.5 Ekonomi
En ekonomisk investeringskalkyl används oftast som en bedömning för att se en viss investerings lönsamhet under en bestämd nyttjandetid. Ett exempel på en ekonomisk investeringskalkyl är livscykelkostnadsanalys, LCC. En livscykelkostnadsanalys ger ett nuvärde för att driva en anläggning en önskad tid. En livscykelkostnadsanalys är även lämplig för investeringar som saknar intäkter, exempelvis vid beräkningar för värmesystem till fastigheter [25].
Livscykelkostnaden för en anläggning beräknas enligt:
LCC = G + KN + UN − IN − RN (6)
G = grundinvesteringen
KN = nuvärdet av alla driftkostnader under nyttjande tiden UN = nuvärdet av alla underhållskostnader under nyttjande tiden
IN = nuvärdet av eventuella intäkter under nyttjandetiden RN = nuvärdet av anläggningens restvärde efter nyttjandetiden.
Nuvärdet av alla kommande driftkostnader vid en konstant årlig kostnad under nyttjande tiden beräknas genom:
KN = K0· fN (7)
K0 = årlig driftskostnad fN = nusummefaktorn.
Nusummefaktorn som används vid återkommande belopp av samma storlek beräknas enligt:
fN = 1 − (1 + r − q)−n
r − q (8)
r = kalkylränta
q = årlig energiprisökning i % n = anläggningens nyttjandetid.
Beräkningen av nuvärdet för de kommande underhållskostnaderna beräknas med hjälp av följande ekvation
UN =
n
X
i
ui· (1 + r)−n (9)
ui = underhållskostnaden för år i.
Restvärdet för en investering efter nyttjande tiden beräknas enligt:
RN = R0· (1 + r)−n (10)
R0 = Restvärde vid nyttjandetidens slut.
2.5.1 Känslighetsanalys
En känslighetsanalys används för att undersöka huruvida en förändring hos ett antagande eller parameter påverkar en beräkningsmodell. Genom en känslighetsanalys ges en inblick i hur känslig eller stabil en beräkning är i förhållande till de inparametrar som nyttjas. Känslighetsanalysen genomförs genom att variera värdet på inparametrarna och där efter se hur värdet på utdata förändras. Analysen utförs oftast genom att variera en parameter i taget men kan även nyttjas genom att kombinera variationer i flera parametrar samtidigt [26].
3 Genomförande
Genomförandet redovisar arbetets tillvägagångssätt, vilka beräkningar samt vilka forskningsmetoder som tillämpats.
3.1 Arbetets design
Detta arbete grundar sig i att öka förståelsen för ett flerbostadshus energianvändning för uppvärmningssyfte. Genom jämförelse av teoretiska energiberäkningar mot det verkliga driftfallet i en fastighet utvecklas förståelsen kring energidistributionen samt dess inverkan på klimatet. De uppvärmningsmetoder som undersökts för flerbostadshus var
• Fjärrvärme
• Kombination av fjärrvärme med en bergvärmepumps effekt på 80 kilowatt
• Bergvärmepumpsanläggning dimensionerad till 70% av fastighetens effektbehov där fjärrvärme nyttjas som spets
Uppvärmningsmetoderna kommer att presenteras som följande vid jämförelse i tabellform, Fjärrvärme, Fjärrvärme & Bergvärme och Bergvärme.
Samtliga beräkningar i rapporten har utförts i kalkylprogrammet Microsoft Excel.
3.2 Fastigheten
Alla beräkningar i rapporten grundar sig i fastigheten där Umia har installerat sin energilösning. Fastigheten går under projektnamnet Bärnstenen, vilket kommer refereras till i rapporten.
Bärnstenen är ett flerbostadskomplex bestående av sju stycken flerbostadshus om totalt 150 lägenheter detta motsvarar en uppvärmd bostadsarea på 10 221 m2, se bilaga A.1 för visuell support. Initialt skedde uppvärmningen av fastigheterna med enbart fjärrvärme levererat från Umeå Energi via två undercentraler. Umia valde att installera två bergvärmepumpar på vardera 40 kilowatt i respektive undercentral med ett årligt COP-värde på 4,1, det vill säga att den totala installerade värmepumpseffekten är 80 kilowatt. Den installerade effekten på 80 kilowatt motsvarar en effekttäckningsgrad på nästan 20 %. Varje värmepump var kalkylerad att behöva sex borrhål men på grund av kvalitén på bergarten adderades ett borrhål till en av de två värmepumpsanläggningarna.
Kombinationen av värmepumparna och fjärrvärmen som används i flerbostadskomplexet nyttjar värmepumparna till att värme upp radiatorsystemet genom att leda radiatorvätska från returledningen till värmepumpen där energiutbyte sker. Därefter förs den uppvärmda radiatorvätskan ut på framledningen till radiatorerna, se figur 5.
Figur 5 – Princimpiellt flödeschema för bergvärmepumpslösningnen.
I figur 5 visar punkt 1 en givare som känner av då bergvärmepumpen klarar av att ge tillräcklig effekt för uppvärmningen av fastigheten. Vid ett sådant skede skickas en signal till punkt 2 och ventilen stängs för fjärrvärmen, det vill säga inget energiutbyte sker i fjärrvärmeväxlaren för radiatorkretsen. Noterbart är att värmepumparna i Umias lösning ej påverkar uppvärmningen av tappvarmvattnet. Lösningen nyttjar ej någon ackumulerad energi utan energin överförs till fastigheten genom kontinuerlig värmeväxling.
I samband med installationen av bergvärmepumparna förnyades de två undercentralerna på så sätt att nya rör och kopplingar installerades tillsammans med nya värmeväxlare för fjärrvärmen.
3.2.1 Energibehov
De stora energibehoven för en fastighet är uppvärmningen av utrymmen och tappvarmvatten respektive elektriciteten för fastigheten. Vid enbart uppvärmning via fjärrvärme är det årliga totala energibehovet omkring 1 379 070 kilowattimmar, vilket varierar mellan åren även om värdet är normalårskorrigerat och att den abonnerade effekten är 407 kilowatt.
Energibehovet för fastigheten vid uppvärmning av utrymmen och varmvatten erhölls timvis för att möjliggöra mer precisa beräkningar, det totala energibehovet för respektive månad presenteras i tabell 1.
Tabell 1 – Månadsvis fjärrvärmebehov för uppvärmning av tappvarmvatten och utrymmen hos Bärnstenen.
Fjärrvärmeförbrukning [kWh]
Jan 218 710
Feb 163 800
Mar 151 570
Apr 128 270
Maj 78 540
Jun 46 840
Jul 28 440
Aug 46 180
Sep 64 620
Okt 125 890
Nov 154 870
Dec 171 340
Det elektriska behovet för fastigheterna är årligen omkring 507 710 kilowattimmar inklusive hushållselen. Genom att nyttja ett schablonvärde för hushållsel på 30 kilowattimmar per kvadratmeter (Atemp) erhålls det att fastighetelen är 201 080 kilowattimmar. Det är även utifrån värmebehovet och fastighetselen som de nya energibehoven och ekonomiska beräkningar härstammar från.
3.3 Antaganden och inparametrar
För beräkningar av de olika uppvärmningsalternativen brukades ett antal antaganden, vilka redovisas punktvis nedanför.
1. Tappvarmvattnet har ett konstant energibehov som är jämt fördelat över årets alla timmar.
2. De nya värmeväxlarna för fjärrvärmen minskade den köpta mängden energi med 10% [27].
3. Värdeminskningen av en produkt sker linjärt vid beräkning av restvärdet.
Utifrån kundens önskemål vid erhållet anbud av kombination av fjärrvärme &
bergvärme är följande även antaget:
4. Nyttjande-/Livstid 25 år
5. Energiprisökning 2 % per år 6. Kalkylränta på 3 %.
Övriga inparametrar för installation och underhåll erhölls genom intervju med Ingemar Jonsson på Umia, verksamhetschef för service [28]. Samtliga priser presenteras inklusive moms.
• Investeringen av bergvärmepump: 712 500 kr
• Investering av borrhål och vvs : 1 250 0000 kr
• Underhåll bergvärme: 10 000 kr / 4 år
• Underhåll undercentral för fjärrvärme = 25 000 kr under en 20 års period för vardera central
Vid nyttjande av en bergvärmepumpslösning där bergvärmen förväntas täcka stora delar av en fastighets energibehov dimensioneras värmepumpen till en effekt omkring 70 % av fastighetens totala effektbehov. För Bärnstenen hamnar dimensioneringen på 74 % i effekttäckningsgrad på grund av lämplig bergvärmepumpslösning, följande investeringar och underhåll presenteras nedan [28]
• Total bergvärmepumpseffekt 300 kW
• Investeringen av bergvärmepump: 2 125 000 kr
• Investering av borrhål och vvs: 3 500 000 kr
• Underhåll bergvärme: 40 000 kr / 4 år
• Underhåll undercentral för fjärrvärme = 25 000 kr under en 20 års period för vardera central.
Noterbart är att även den större bergvärmepumpsanläggningen på 300 kilowatt använder fjärrvärme som spetsenergi. Ytterligare en skillnad med den större bergvärmepumpsanläggningen är att den även producerar värme till tappvarmvattnet.
3.4 Ekonomi och Energi
För att möjliggöra ekonomiska beräkningar för flerbostadshusen där bergvärmepumpen enbart värmer upp radiatorsystemet är det nödvändigt att dela upp det totala energibehovet i energibehov för uppvärmning respektive tappvarmvattenproduktion. Uppdelningen sker med hjälp av ett schablonvärde från Sveby som är en branschstandard för energi i byggnader. Enligt Svebys rapport för brukarindata är 25 kilowattimmar per kvadratmeter (Atemp) ett lämpligt värde för årsförbrukningen i ett flerbostadshus energibehov till tappvarmvattnet [29]. Det årliga energibehovet för tappvarmvattnet dividerades med antalet timmar på ett år i enlighet med antagande 1 för att implementeras tillsammans med det timvisa energibehovet från fjärrvärmen.
Vidare undersöktes bergvärmepumpens maximala energibidrag till uppvärmningssystem för att ge förståelse på hur det nya fjärrvärmebehovet ser ut. Bergvärmepumpens energibidrag erhålls genom att kombinera de timmar som värmepumpen kan leverera full effekt med det timvisa uppvärmningsbehovet för fastigheten. Inverkan som bergvärmepumpen gör på distributionen av fjärrvärme till fastighetshusen, påverkar i sin tur effektpriset som beror på den abonnerade effekten, det vill säga det högsta effektbehovet för fastigheten. Det nya effektbehovet erhålls genom att subtrahera bergvärmepumpen maximala effekt från det gamla effektbehovet för fastigheten.
För Bärnstenen blir det nya effektbehovet från fjärrvärmen vid kombinationen med bergvärme följande
Effektbehovfjärrvärme= 407 − 80 = 327 [kW],
på samma sätt beräknas även effektbehovet för fjärrvärmen när den större bergvärmepumpsanläggningen nyttjas och då erhålls ett effektbehov på 107 kilowatt.
Beräkningen av det nya effektpriset nyttjar även en uttagskvot som beräknas av Umeå Energi på följande vis:
Normalåskorrigerad energianvändning i kWh (jan − f eb, dec)
Normalåskorrigerad energianvändning i kWh (jan − apr, sep − dec)
=F astighetens
uttagskvot . (11)
Genom uttagskvoten i ekvation 11 erhålls en uttagsfaktor enligt tabell 2.
Tabell 2 – Omvandling av uttagskvoten till uttagsfaktorn där U är den abonnerade effekten.
Uttagskvot Uttagsfaktor 0-0,299 0,93
0,300-0,499 0,35 · U + 0,825 0,500-0,799 1,34 · U + 0,330
0,800- 1,40
Med den erhållna uttagsfaktorn kan effektpriset för fastighetens högsta effektuttag slutligen beräknas enligt tabell 3 nedan.
Tabell 3 – Effektpriset utifrån abonnerad effekt och uttagsfaktor.
Abonnerad effekt i kW (U) Effektpris kr/år
0-39 (717 · U + 15) · U ttagsf aktorn
40-249 (657 · U + 2 410) · U ttagsf aktorn 250-499 (640 · U + 6 565) · U ttagsf aktorn 500-749 (609 · U + 22 152) · U ttagsf aktorn 750-1 499 (591 · U + 35 650) · U ttagsf aktor 150-2 999 (571 · U + 65 500) · U ttagsf aktor
>3000 (561 · U + 75 000) · U ttagsf aktor
Slutligen återstår energipriset för den köpta fjärrvärmen, energipriset varierar över året med anledningen av utbud och efterfrågan. Umeå Energis energipris för flerbostadshus består av tre olika prisnivåer enligt tabell 4.
Tabell 4 – Umeå Energis energipris för fjärrvärme under de olika årstiderna på året.
Period Öre/kWh
Vinter (jan-mars/nov-dec) 48,5 Vår/höst (april-maj/sep-okt) 31,0
Sommar (jun-aug) 18,0
Genom att summera effektpriset med det månadsvisa energipriset erhålls den årliga driftskostnaden för uppvärmning av fastigheten via fjärrvärme.
Bergvärmepumpen drivs av elektricitet och driftskostnaden är beroende av vilket elavtal som kunden valt. Bärnstenen har ett fastavtal med Umeå Energi men samtliga elavtal till större fastigheter se ut på följande sätt
Säkringsavgift = En fast avgift som baseras på den högsta effekten som.
fastigheten behöver.
Överföringsavgift = Avgifter för att använda elnätet.
Energiavgift = Avgift för själva elektriciteten.
Elcertifikatsavgift = Lagstadgad avgift som är till för att gynna elproduktion från miljövänliga energikällor.
Energiskatt = Beskattning på den köpta elektriciteten.
För flerbostadshus är alla ovanstående punkter mängdbaserade, det vill säga kostnaden baseras på mängden köpt elektricitet och får då enheten (öre per kilowattimme) förutom säkringsavgiften som är en fast avgift som betalas årsvis. Ett enkelt tillvägagångssätt för att beräkna värmepumpens driftkostnad är att summera alla mängdbaserade avgifter och skatter för elektriciteten (70 öre per kilowattimme för Bärnstenen) och därefter multiplicera priset med bergvärmepumpens beräknade elbehov. Elbehovet för en bergvärmepump erhålls genom att dividera den avgivna effekten med COP-värdet, vilket erhålls genom att strukturera om ekvation 1 till
Wnet,in= QH COP.
Utifrån de beräknade energibehovet vid kombinationen mellan bergvärme och fjärrvärme kan en ekonomisk kalkyl struktureras där alla kostnader är nuvärdesberäknade. Nuvärdet används för att underlätta en jämförelse mellan olika investeringar där flertalet av kostnaderna sker i framtiden. Nuvärdet erhålls genom att räkna om de framtida kostnader till dagens penningvärde.
Den ekonomiska kalkylen i form av en livscykelskostnadsanalys beräknas genom att addera alla utgifter och subtrahera alla intäkter och restvärdet, se ekvation 6. Då ett värmesystem för flerbostadshus ej genererar några intäkter är parametern för intäkterna IN lika med noll. Den totala driftskostnaden KN beräknas genom att den årliga driftkostnaden för anläggningen multipliceras enligt ekvation 7 med nusummefaktorn som i sin tur beräknas genom ekvation 8. Nästa parameter i LCC:n är underhållskostnaden och beräknas genom ekvation 9. Ekvationen för underhållskostnaden nyttjar nuvärdet eftersom underhållskostnaderna kan varierar från år till år detta till skillnad när nusummerfaktorn används. Sista parametern för att erhålla den totala livscykelkostnaden är restvärdet av investeringen, alternativt restvärdet av en
del av själva investeringen. En bergvärmepump har en uppskattad livslängd på omkring 20 år medan ett borrhål har en livslängd på 60 år och uppåt beroende på borrhålets nyttjade [19]. Vid beräkning av respektive restvärde används antagande 10, det vill säga att värdeminskningen av investeringen är linjär och beräknas då enligt
R0 = G − n · G
förväntad livslängd (12)
och där efter nuvärdesberäknas restvärdet genom ekvation 10. Noterbart är att under den antagna 25 års perioden kommer bergvärmepumpen att reinvesteras, därav nyttjas ekvation 12 separat för beräkning av borrhålens och vvs-systemets restvärde respektive bergvärmepumpen restvärde. De två undercentralerna kommer även att underhållas under 25 års perioden och erhåller således ett restvärde vid kalkyltidens slut.
3.4.1 Känslighetsanalys
En känslighetsanalys utfördes på den ekonomiska kalkylen med avseende på flera av de parametrar som kan tänkas påverka kalkylen ackuratess. De parametrar som undersöktes var
• Kalkylräntan
• Årlig energiprisökning för elektricitet
• Årlig energiprisökning för fjärrvärme
• Årliga effektprisökningen för fjärrvärmen
där varje parameter justerades med 2 procentenheter upp respektive ner i förhållande till det initiala värdet. De två sistnämnda parametrar kombinerades även då de båda härrör från fjärrvärmen.
3.5 Analys av miljö och fastighetsenergi
I samband med beräkningarna för energin och ekonomin undersöktes även de miljömässiga besparingarna som uppkom till grund av den minskade mängden köpt fjärrvärme. Initialt undersöktes enbart miljövinsterna vid energileveranser från Umeå Energi. De huvudsakliga utsläppen från produktionen av fjärrvärme respektive elektricitet hos Umeå Energi presenteras i tabell 5.
Tabell 5 – Specifika utsläpp från el- och fjärrvärmeproduktion under 2017 hos Umeå Energi [5].
Utsläpp\Energibärare Elektricitet Fjärrvärme
CO2 [g/kWh] 0 48,06
SOX [g/kWh] - 0,012
NOX [g/kWh] - 0,79
Umeå Energis produktion av elektricitet är ursprungsmärkt vilket betyder att produktionen sker genom förnybara energikällor och anses därför vara koldioxidneutral, därav 0 i tabell 5.
Tas hänsyn till hela Sverige erhålls ett utsläpp motsvarande 47 gram per kilowattimme med hänsyn taget till koldioxidekvivalenterna för den svenska elmixen. De 47 grammen har tagit import och export i beaktning utifrån användarprofilen år 2013 samt att värdet är beräknat över en livscykel [4], [30].
Vid undersökning av de genomsnittliga koldioxidutsläppen för Sveriges fjärrvärmeproduktion erhölls svaret ur rapporten ”Fjärrvärme & Miljö 2015”.
Under år 2013 släpptes 51,7 gram koldioxid per kilowattimme ut och år 2014 minskade siffran till 48,7 gram. Noterbart är att år 2014 stod kommunen Ljungby för störts utsläpp med 186 gram per kilowattimme och Haninge tillsammans med Tyresö för de lägsta utsläppen med 0 gram per producerad kilowattimme fjärrvärme [31].
En viktig del för att minska nyttjandet av fossila bränslen är att elektrifiera så mycket som möjligt i samhället där elektriciteten brukas på ett effektivt sätt.
Elektricitet kan produceras på ett förnyelsebart tillvägagångssätt och distribueras långväga vilket är svårare med värme. En solcell producerar elektricitet som kan distribueras ut på nätet och transporteras genom hela Sverige. Det är däremot väldigt svårt att producera värme för ett större distributionsnät genom förnyelsebar energi [32].
3.5.1 Primärenergital
Ytterligare en metod för att förstå en fastighets behov av energi samt vilket miljöavtryck som energin utgör är genom att nyttja boverkets byggregler.
Utifrån boverkets nya byggregler i BBR 25 som infördes 1 juli 2017 för nyproduktion innefattar primärenergitalet som är en del av EU:s energipristandadirektiv. I rapporten undersöks även de olika kombinationerna av energidistributörer inverkan på en fastighets primärenergital. Anledningen till jämförelsen av en redan befintlig byggnad, är för att ge en tydligare bild hur
kombination av olika värmekällor kan bidra till minskat energibehov.
Jämförelsen kan även fungera som en fingervisning hur värmekällor kan kombineras vid nybyggnationer för att klara av olika energikrav.
Primärenergitalet för en fastighet beräknas genom ekvation 5. Viktningsfaktorn, den så kallade primärenergifaktorn för de olika energibärarna redovisas i tabell 6 och den geografiska justeringsfaktorn för Umeå är 1,3, för övriga kommuner i Sverige se BBR 25 [33].
Tabell 6 – Primärenergifaktor för respektive energibärare [33].
Energibärare Primärenergifaktor
El 1,6
Fjärrvärme 1,0
Fjärrkyla 1,0
Biobränsle 1,0
Olja 1,0
Gas 1,0
Vid nyttjande av flera energibärare viktas varje enskild energibärare mot sin primärenergifaktor. Viktigt att tänka på är om byggnaden har en installerad elektrisk effekt för uppvärmning och tappvarmvattenproduktion som understiger 10 watt per kvadratmeter multipliceras elenergi till komfortkyla med 1,875 utöver multiplikation med primärenergifaktorn [22]. Då Bärnstenen ej nyttjar någon komfortkyla idag kan ovanstående mening försummas i beräkningarna för detta fall.
3.6 Analys av den faktiska effektiviseringen
Projektets syfte var även att undersöka huruvida de teoretiska energiberäkningarna stämmer överens med de verkliga driftfallen. För att möjliggöra en analys nyttjades antagande 2, det vill säga att de nya fjärrvärmeväxlarna reducerade den köpta energin med 10 % i förhållande mot de gamla värmeväxlarna. Genom Umeå Energis loggning av brukardata erhölls den genomsnittliga förändringen för elförbrukningen samt förändringen i det minskade fjärrvärmebehovet. Förändringarna för de två energibärarna presenteras i tabell 7 där antagandet 2 har tagits i beaktning.
Tabell 7 – Förändring av de respektive energibärnara till grund av installationen av de två bergvärmepumparna hos Bärnstenen, förändringen anges i kilowattimmar.
Förändrat energibehov
Okt Nov Dec Jan Feb
Elektricitet +13 860 + 13 997 + 14 539 +15 565 + 15 332 Fjärrvärme - 48 999 - 40 745 -42 947 -34 981 -35 499 Då det minskade energibehovet från fjärrvärmen motsvara den levererade energin från bergvärmepumparna nyttjas ekvation 2 för att erhålla ett COP-värde för de månader som analyseras.
3.7 Global uppvärmning
Mellan åren 1983–2012 har mätningar uppvisat att det har varit de varmaste 30 åren på norra halvan av jordklotet sedan 1400-talet. Den globala uppvärmningen påverkar den marknära luftens temperatur som i sin tur interagerar med temperaturen i marken [34]. Undersökningar av befintliga borrhål har påvisat en ökning av marktemperaturen över stora geografiska områden och ökningen har varit större i de nordligare delarna av det norra halvklotet. Temperaturförändringen påverkar även energibehovet hos fastigheterna och en förändring i det rådande klimatet har inverkan på en mark-/bergvärmepumps effektivitet [35].
I en studie undersöktes tre städer med olika klimat för att ge ökad förståelse kring den globala uppvärmningens påverkan av värmepumpars effektivitet. De tre städerna som undersöktes var Uppsala i Sverige, Damaskus i Syren och slutligen Riyadh i Saudi Arabien. Dessa tre städer representerar tre olika klimat, i följande ordningen efter städerna, kallt-, milt respektive varmt klimat.
I studien undersöktes hur klimatpåverkan inverkar på behovet av att värma och kyla de olika fastigheterna [35]. I förhållande till varandra har den globala uppvärmningen störst inverkan på kylbehovet, då ökad omgivningstemperatur leder till minskat uppvärmningsbehov.
En värmepump har en högre effektivitet när temperaturen på köldbäraren ej är för låg [36]. Utifrån de studier som visar på en ökad marktemperatur i kombination med värmepumpen effektivitet vid varmare inloppstemperatur hos köldbärarvätskan, kan effektiviteten hos bergvärmepumparna med största sannolikhet påverkas positivt av den globala uppvärmningen. Vilket kan visas med hjälp av ekvation 4 , när värdet på TL blir högre, ökar även värdet på COP.
4 Resultat
I detta kapitel presenteras resultat från de beräkningar som utförts under arbetet.
4.1 Energi och Ekonomi
I tabell 8 erhålls den initiala köpta mängden energi samt den nya beräknade mängden energi som fastigheten förväntas behöva betala för vid uppvärmning av utrymmen och tappvarmvatten.
Tabell 8 – Köpt energi av de två energibärarna vid respektive uppvärmningslösning.
Köpt energi
Fjärrvärme Fjärrvärme & Bergvärme Bergvärme
Fjärrvärme 1 379 070 858 915 21 920
Elektricitet 0 126 868 331 012
Totalt 1 379 070 985 783 352 932
Genom att kombinera fjärrvärme tillsammans med bergvärme där en effektteckningsgrad på 20 % brukas, erhålls en reducering av köpt energi med 393 287 kilowattimmar, vilket även betyder att effekttäckningsgraden på 20 % ger en energitäckningsgrad motsvarande 48 %. Installeras istället en bergvärmepumps lösningen med en effekt på 300 kilowatt erhålls en reducering på 1 026 138 kilowattimmar och en energitäckningsgrad på 98,5 %.
Genom de nya driftbehoven i tabell 8 nyttjades de ekonomiska beräkningarna för en livscykelanalys från sektion 3.4 som redovisas i tabell 9.
Tabell 9 – Livscykelkostnaden för tre alternativa uppvärmningsmetoder där kombinationen med fjärrvärme och bergvärme är beräknat utifrån Umias lösning, alla siffror är givna i kronor.
Livscykelkostnad
Fjärrvärme Fjärrvärme & Bergvärme Bergvärme
Investeringskostnad 0 1 962 500 5 625 000
Energikostnad
Årlig energikostnad 1 033 224 815 607 430 148
Nuvärde Energikostnad 22 754 845 17 962 242 9 473 215 Underhåll
Underhållskostnad 50 000 50 000 & 10 000 40 000
Underhålls intervall 20 20 & 4 4
Nuvärde Underhåll 27 684 68 165 161 922
Restvärde 17 910 6816 1 109 438
Total LCC 22 764 619 19 389 432 14 150 699
Ur tabell 9 erhålls det att den teoretiska besparingen vid kombination av bergvärme och fjärrvärme är strax under 3,4 miljoner kronor gentemot att nyttja fjärrvärme som den enda energibäraren för uppvärmningen. Installeras istället bergvärme med en total effekt på 300 kilowatt erhålls istället en besparing över 8,6 miljoner kronor.
Payback tiden för de två uppvärmningsalternativen är 8 respektive 9 år och redovisas i bilaga A.2 och A.3.
4.2 Miljö och Primärenergital
I tabell 10 erhålls de lokala utsläppen som uppstår under ett års uppvärmning av Bärnstenen.
Tabell 10 – De lokala utsläppen vid uppvärmning av fastigheten vid respektive uppvärmningsmetod, utsläppen presenteras i enheten kilogram.
Utsläpp Umeå
Fjärrvärme Fjärrvärme & Bergvärme Bergvärme
CO2 76 566 47 687 1 217
SOX 19 12 0
NOX 124 77 2
Vid kombinerad uppvärmning av fjärrvärme och två bergvärmepumpar med vardera effekt på 40 kilowatt erhålls en årlig reducering av koldioxidutsläpp på
28 879 kg. Hade fastigheten istället nyttjat bergvärmepumpar med en effekt på 300 kilowatt med stöd av fjärrvärme hade den årliga reduktionen av koldioxid hamnat på 75 349 kg. Den tillförda energin till fastigheten från respektive uppvärmningsanordningen presenteras i figur A.3 och A.5 i bilaga A.2 respektive A.3
Vid jämförelse av utsläpp vid nyttjande av den svenska elmixens användarprofil och det genomsnittliga koldioxidutsläppen för fjärrvärmeproduktion i Sverige presenteras följande resultat i tabell 11.
Tabell 11 – Totala klodioxidutsläpp för uppvärmning av Bärnstenen vid reskeptive uppvärmningmetod.
Utsläpp CO2
Fjärrvärme Fjärrvärme & Bergvärme Bergvärme
Sverige 67 299 47 878 16 628
För det svenska genomsnittet är reduceringen av koldioxid något mindre än reduceringen för Umeå. Den maximala reduceringen hamnar istället på 50 671 kg per år.
Ett ytterligare tillvägagångssätt att förstå hur kombinationen av en bergvärmepump tillsammans med fjärrvärme kan reducera energibehovet och fastighetens miljöavtryck är genom primärenergitalet. Beräkningen av primärenergitalet för Bärnstenen har skett med ekvation 5 och erhållna värden redovisas i tabell 12. Den geografiska justeringsfaktorn som nyttjats är 1,3 för Umeå samt att relevant primärenergifaktor för fastigheten enligt tabell 6 har använts för beräkningen.
Tabell 12 – Primärenergitalet för Bärnstenen vid uppvärmning av respektive uppvärmningslösning.
Primärenrgitalet för Bärnstenen
Fjärrvärme Fjärrvärme & Bergvärme Bergvärme
EPfjv 103,8 64,6 1,6
EPel 31,5 46,8 71,3
EPpet 135,3 111,4 72,9
Via tabell 12 erhålls primärenergitalet för respektive energibärare och uppvärmningsmetod. Genom att kombinera fjärrvärme med en bergvärmepumpseffekt på 80 kilowatt erhålls en reducering av primärenergitalet
för fjärrvärmen medans motsvarande tal för elektriciteten har ökat. Det totala energitalet EPpet för fastigheten har minskat med 23,6 kilowattimmar per kvadratmeter genom kombinationen av de två värmesystemen. Nyttjas istället en bergvärmepumpseffekt på 300 kilowatt tillsammans med spetsvärme från fjärrvärme erhålls ett primärenergital på 72,9 kilowattimmar per kvadratmeter.
4.3 Känslighetsanalys
För känslighetsanalysen där varje parameter justerade med ±2 procentenheter, erhålls resultat i tabell 13. Då förändring för både effekt- och energipris för fjärrvärmen sannolikt sker i symbios erhålls inverkan på besparingen genom att summera energipriset inverkan med effektpriset inverkan.
Tabell 13 – Inverkan på respektive investeringen vid ändring av de undersökta parametrana.
Känslighetsanalys
Inverkan på besparing [%]
Parameter Ändring [%-enheter]
Fjärrvärme & Bergvärme Bergvärme
+2 -37 -38
Kalkylränta
-2 +91 +108
+2 -21 -22
El
Energiprisökning
-2 +16 +16
+2 +50 +53
Fjärrvärme Energiprisökning
-2 -34 -37
+2 +14 +16
Fjärrvärme Effektprisökning
-2 -9 -10
När effekt- och energipriset ökar med 2 procentenheter erhålls en ökad besparing med 64 % vid kombination av fjärrvärme och bergvärme och den större bergvärmepumpsanläggningen erhåller en ökad besparing på 69 % i enlighet med tabell 13.
4.4 Analys av effektiviseringen
Analysen av den verkliga effektiviseringen, det vill säga den effekt som de installerade bergvärmepumparna lyckats leverera till fastigheten redovisas i form av COP-värdet. COP-värdena erhölls genom att använda tabell 7 tillsammans med ekvation 2. Resultatet som erhölls genom beräkningen presenteras i tabell 14, vilket motsvarar ett COP-värde för respektive månad.
Tabell 14 – De erhållna värdena för COP för respektive månad vid analys av verklig drift.
Coefficient of preformance
Månad: Okt Nov Dec Jan Feb COP 3,54 2,91 2,96 2,25 2,31
Noterbart är att samtliga värden för COP i tabell 14 är lägre än det som nyttjas i de teoretiska beräkningarna, 4,1.
5 Diskussion
I detta kapitel diskuteras trovärdigheten i resultateten samt huruvida den data som projektet bygger på och antaganden som brukats, påverkar trovärdigheten av resultatet.
5.1 Energi och Ekonomi
Beräkningarna för energin och ekonomin bygger på erhållen data för uppvärmningsbehovet i form av levererad energi från Umeå Energi.
Energibehovet för Bärnstenen är presenterat månadvis i tabell 1. Den levererade energin som erhölls från Umeå Energi måste ses som precis i beräkningarna, energibehovet redovisas per månad i tabell 1, då behovet är givet per timme från Umeå energi och normalårskorrigerat. Nyttjandet av timvist energibehov för fastigheten möjliggjorde noggranna uträkningar där samtliga energitoppar över årets 365 dagar tagits i beaktning.
Övriga parametrar som påverkar de ekonomiska beräkningarna är de parametrar som undersköts i känslighetsanalysen, det vill säga kalkylräntan samt den procentuella årliga prisökningen för de två energibärarna. I tabell 13 redovisas det att kalkylräntan är den parametern som utgör stört individuell påverkan vid en förändring. En stor anledning till kalkylräntas påverkan beror på nyttjandetiden. Då anläggningen har en nyttjande tid på 25 år påverkas en kostnad med en exponentialfunktion enligt
(1 + r)25
där r är kalkylräntan. Denna exponentiella funktion återfinns i samtliga ekvationer som nyttjas vid beräkningen av en livscykelkostnad.
Tätt efter kalkylräntans inverkan kommer den årliga prisförändringen av fjärrvärmen. Anledningen till att prisförändringen av fjärrvärmen påverkar livscykelkostnadsanalysen med en större grad än prisförändringen av elektriciteten beror på den köpta mängden av respektive energibärare. Andelen köpt energi vid uppvärmning med fjärrvärme är betydligt större jämfört med mängden energi som köps vid uppvärmning av elektriciteten, därav fortplantar sig en förändring i fjärrvärmepriset till en större märkbar skillnad.
5.2 Miljö och Primärenergital
Enligt de lokala utsläppen i tabell 10 erhålls en kraftig reduktion av koldioxidutsläpp med minst 28 879 kilogram beroende på vilken bergvärmepumpslösning som nyttjas. De lokala utsläppen är beräknade utifrån de utsläpp som Umeå Energi redovisar för respektive energibärare. Umeå Energis produktion av elektricitet är ursprungsmärkt och kan därav lokalt garantera att det är förnybar elektricitet som levereras till kunden.
För att jämföra det resultat som ett flerbostadshus beläget vart som helst i Sverige kan tänkas erhålla i reducering av koldioxid, är det istället bättre att nyttja ett genomsnitt av utsläppen för den fjärrvärme och elektricitet som används i de svenska hushållen. Därav utfördes utsläppsberäkningar med hjälp av den svenska elmixen. Den svenska elmixen får anses vara ett bra mått på den elektricitet som används i Sverige då den tar hänsyn till både import och export av elektricitet samtidigt som den tar hänsyn till den inhemska produktionen.
Vid detta erhålls en reduktion på 19 421 med en effekttäcknignsgrad på 20 % från bergvärmepumarna. Dimensioneras istället en värmepumpsanläggning med 74 % i effekttäckningsgrad ökar reduceringen till 50 671 kg för en fastighet som liknar Bärnstenen.
De miljömässiga besparingarna undersöktes genom fastighetens primärenergital, vilket utfördes genom att jämföra fjärrvärme som den enda energidistributören med de två olika bergvärmepumpslösningarna. Primärenergitalet är ett bra mått då den tar hänsyn till de olika förlusterna som erhålls under produktion och transport för respektive energibärare. Primärenergifaktorn för elektricitet är 1,6 i förhållande till faktorn för fjärrvärme som är 1, vilket betyder att fjärrvärme produceras och transporteras på ett mer effektivt sätt än elektricitet.
Trots detta bidrar nyttjandet av en bergvärmepump till att sänka det totala primärenergitalet för en fastighet på grund av bergvärmepumpens effektivitet av att transportera energi från ett medium med en lägre temperaturnivå till ett medium med högre temperaturnivå.
5.3 Analysen av effektiviseringen
Analysen av den verkliga effektiviseringen där COP-värdet för respektive månad togs fram, se tabell 14, är COP för samtliga undersökta månader betydligt lägre jämfört med COP-värdet på 4,1 som tillverkaren påvisat. Resultatet för oktober där COP erhölls vara 3,54 kan anses vara ett dugligt värde, men de resterande värdena ligger samtliga under ett värde av 3 vilket är mindre bra.
En felkälla som har betydande inverkan vid analysen av bergvärmepumparnas effektivitet ligger i antagande 2, det vill säga antagandet att de nya värmeväxlarna har reducerat energibehovet med 10 %. Detta antagande har även varit svårt att validera då inga separata mätningar har varit möjliga.
Reduceras antagande 2 till 5 % erhålls istället en COP-värde mellan 4 och 3,4 för månaderna oktober till december, vilket istället betyder att driften av pumpen fungerar bra.
För att möjliggöra en bättre och mer noggrann analys av bergvärmepumparna verkliga effektivitet hos Bärnstenen behövs mer konkreta parametrar i form av enbart värmepumparnas elförbrukning samt ett mer precist värde för de nya värmeväxlarnas bidrag för att minska den köpta energin från fjärrvärmen.
5.4 Jämförelse av uppvärmningslösningar
Valet av uppvärmningslösning till en fastighet beror till stor del av fastighetsägarens investeringskapital. Fjärrvärmen som redan är installerad har högst årskostnad samtidigt som det är det sämsta alternativet gällande ekologisk hållbarhet. Då uppvärmning med enbart fjärrvärme erhåller de högsta koldioxidutsläppet samt det högsta primärenergitalet för fastigheten av samtliga undersökta uppvärmningslösningar.
Den största skillnaden i investeringskostnaden mellan två olika stora bergvärmepumpsanläggningar beror på antalet borrhål. Trots den högre investeringskostnaden av en större bergvärmepumpsanläggning erhålls en större besparing vid nyttjandetidens slut enligt livscykelanalysen, se tabell 9.
Vid jämförelse av de två bergvärmepumpsalternativen är känslighetsanalysen ett bra verktyg. Vid en ökning av kalkylräntan motsvarande 2 procentenheter minskar den totala besparingen med 37 % för anläggningen på 80 kilowatt och 38 % för anläggningen på 300 kilowatt. Den totala besparingen påverkas i stort sätt i samma grad procentuellt vid en ökning av kalkylräntan. Minskar däremot
kalkylräntan med 2 procentenheter ökar istället besparingen markant. För den mindre bergvärmepumpsanläggningen på 80 kilowatt ökar besparingen med 91
% medans besparingen för den större bergvärmepumpsanläggningen ökar med 108 %.
Jämförs de två bergvärmepumpsanläggningar vid värsta tänkbara prisförändring, det vill säga att elpriset höjs medan priset på fjärrvärmen sjunker. Erhålls reducering av besparingen på 64 % för den mindre bergvärmepumpsanläggningen och 69 % för den större anläggningen.
Anledningen till en skillnad på 5 procentenheter för de två anläggningarna beror på mängden köpt elektricitet. Den större anläggningen kräver mer elektriciteten för driften och därav påverkas besparingen i större utsträckning vid högre elpris.
Sker istället en prisförändring till värmepumpens fördel ökar besparingen med 80 % och 85 % för den mindre respektive större värmepumpsanläggningen.
Kortfattat innebär det att en större bergvärmepumpsanläggning kostar mer att investera i men den ger en högre total besparing efter nyttjandetiden. Samtidigt är den bättre vid förändringar av kalkylräntan då den påverkas lika mycket negativt som den mindre anläggningen men vid en minskad ränta är besparingen betydligt högre.
6 Slutsats
I detta kapitel presenteras de slutsatser som arbetet bidragit till.
En bergvärmepump drivs av en sämre energibärare sett till dess primärenergifaktor jämfört med fjärrvärme. Trots detta konstaterande möjliggörs ändå en reducering av en fastighets primärenergi vid användning av bergvärme. Anledningen till denna reducering erhålls genom bergvärmepumpens höga COP-värde. Därav kan en bergvärmepump ses som en ypperlig energianläggning att kombinera tillsammans med fjärrvärme i flerbostadshus för att minska den köpta mängden energi. Ett minskat energibehov leder även till ökad ekologisk hållbarhet då samma värmeeffekt kan levereras av mindre tillförd energi. Genom att nyttja en bergvärmepumpslösning i flerbostadshus erhålls en reducering hos fastighetens primärenergital samtidigt som koldioxidutsläppen reduceras till följd av det minskade energibehovet till fastigheten.
Valet av storlek på bergvärmepumpsanläggningen som kombineras med den befintliga fjärrvärmen beror till stor del på kundens investeringskapital. Dock erhålls störst besparing vid nyttjandetidens slut genom att installera en
bergvärmepumpslösning med en effekt motsvarande omkring 70 % av fastighetens högsta effektbehov. Installeras en sådan lösning hos Bärnstenen möjliggörs en besparing på mer än 8,6 miljoner kronor jämfört med att enbart nyttja fjärrvärme som energidistributör. Nyttjas denna lösning reduceras även fastighetens primärenergital från 135,3 (enbart fjärrvärme) till 72,9 kilowattimmar per kvadratmeter.
Ur både en ekonomisk och miljömässig synpunkt, är den bästa uppvärmningsmetoden att nyttja en bergvärmepumpslösning motsvarande 70 % av fastighetens effektbehov och sedan nyttja fjärrvärme som spetsenergi.
6.1 Bergvärmepumpens framtid
Bergvärmepumpens framtid ser ljus ut ur flera perspektiv. Ett av perspektiven är att elektrifieringen måste öka i samhället då det främst är elektricitet som produceras på ett fossilfritt tillvägagångssätt och leder på så vis till ett mer ekologisk hållbart samhälle. Utifrån ovanstående perspektiv är värmepumpar den uppvärmningsmetod som tillför en fastighet mest energi i förhållande till vad som stoppas in för att driva enheten. Ser man till bergvärmepumpens framtid i förhållande till den globala uppvärmningen bidrar den ökade temperaturen i luft och mark till en högre verkningsgrad (COP) hos värmepumpen. Vilket betyder att värmepumpen kan jobba fler dagar om året med sin höga coefficient of performance samt att värdet hos COP kan tänkas öka i samband med högre temperatur i luft och jord. Slutligen erhålls även en reducering av primärenergi och miljöskadliga utsläpp vid nyttjande av en bergvärmepump i Sverige.
Referenser
[1] Energimyndigheten,
Energistatistik för småhus, flerbostadshus och lokaler 2016, http : / / www . energimyndigheten . se / globalassets / statistik / bostader / energistatistik - for - smahus - flerbostadshus - och - lokaler-2016.pdf, [Online: Hämtad 2018-jan-25], juni 2017.
[2] Gunilla Hjalmarson, Överenskommelse om Sveriges mål för
energieffektivisering, http :
//www.regeringen.se/pressmeddelanden/2016/11/overenskommelse- om - sveriges - mal - for - energieffektivisering/, [Online Hämtad:
2018-05-03], nov. 2016.
[3] Statens energimyndighet, Energiläget 2017. Arkitektkopia AB, Bromma, okt. 2017, [ISSN: 1404-3343].
[4] Energimyndigheten, Växthusgasberäkning, http : / / www . energimyndigheten . se / fornybart / hallbarhetskriterier / hallbarhetslagen/fragor- och- svar/vaxthusgasberakning/, [Online:
Hämtad 2018-feb-02], okt. 2015.
[5] Umeå Energi, Ursprungsmärkning och utsläpp från vår produktion av el,
fjärrvärme och fjärrkyla,
http://www.umeaenergi.se/om- oss/produktion/ursprungsmarkning, [Online: Hämtad 2018-feb-02], 2017.
[6] Johan Warell, Nationalencyklopedin, geoenergi, https : / / www . ne . se / uppslagsverk / encyklopedi / l, [Online: Hämtad 2018-feb-01].
[7] Erik Björk et al., Bergvärme på djupet. US-AB, april 2013, [ISBN:
978-91-7501-754-9].
[8] Statistiska centralbyrån, El-, gas- och fjärrvärmeförsörjningen 2016,
Definitiva uppgifter, https :
//www.scb.se/contentassets//en0105_2016a01_sm_en11sm1701.pdf, [Online: Hämtad 2018-jan-26], nov. 2017.
[9] Ioan Sarbu och Calin Sebarchievici, ”General review of ground-source heat pump systems for heating and cooling of buildings”, Energy and Buildings, årg. 70, s. 441–454, 2014.
[10] Eva Rydegran, Fjärrvärme - bekväm och resurseffektiv uppvärmning, https : / / www . energiforetagen . se / sa - fungerar - det / fjarrvarme/, [Online Hämtad: 01-mar-2018], jan. 2017.
