ENERGIÅTERVINNING AV SPILLVATTEN
En studie av ett flerfamiljshus
ENERGY RECOVERY FROM WASTEWATER
A study of a multi-family residential
Sofia Grefve
Sammanfattning
Europeiska unionen satte 2014 mål om att minska energianvändningen med 27 % innan 2030.
För att dessa mål ska uppnås krävs stora minskningar av energianvändningen inte minst inom byggsektorn. I dagsläget står den för ungefär 32 % av den totala energianvändningen i Sverige och under de senaste åren har många energieffektiviserande åtgärder inom byggsektorn tilläm- pats. Det är framför allt genom teknik som är kopplad till energioptimering för uppvärmning och kylning av byggnader samt förbättringar av byggnaders klimatskal. Uppvärmning av tappvatten motsvarar ungefär 30-50 % av den totala energianvändningen i byggnader och mycket av energin som finns i spillvattnet spolas direkt ut i avloppet utan att nyttjas.
Syftet med detta arbete var att undersöka på vilka sätt man kan återvinna energin som finns i spillvatten, vad installationerna skulle medföra för energibesparing, miljönytta samt vad det skul- le innebära installations- och kostnadsmässigt i en undersökt referensbyggnad. Den undersökta referensbyggnaden är bostadsrättsföreningen Landmärket i Skellefteå, som byggdes 2016-2017.
I arbetet har sju olika produkter undersökts genom att beräkna den potentiella energibesparinigen, annuitetsvärdet och miskat utsläpp av CO2-e. För installationen med Evertherm uppgår energi- besparingen till 144 MWh/år, annuiteten blir -48 800 kr/år och installationen kommer spara upp till 317 ton CO2-e/livslängd. Spuabs värmeväxlare ger en energibesparing på 72 MWh/år, annu- iteten 47 700 kr och en utsläppsbesparing på 198 ton CO2-e/livslängd. Spillvattenväxlaren från Renewability får en energibesparing på 42 MWh/år, annuiteten 14 800 kr/år och en besparing av 116 ton CO2-e/livslängd. En installation av Ekoflows värmeväxlare ger en energibesparing på 57 MWh/år, en annuitet på -3 400 kr/år och en utsläppsbesparing på 156 ton CO2-e/livslängd.
Vattencirkuleraren från Oribital systems besparar 30 MWh/år, får ett annuitetsvärde på -261 500 kr/år och en utsläppsbesparing på 33 ton CO2-e/livslängd. Duschvärmeväxlaren Shower Reheat får en energibesparing på 11 MWh/år, annuitet blir -14 300 kr/år och en minskning av utsläpp med 31 ton CO2-e/livslängd. Duschvärmeväxlaren från Ekologiska byggvaruhus ger en energi- besparing på 15 MWh/år, annuitetsvärdet -16 700 kr/år och en utsläppsminskning med 33 ton CO2-e/livslängd. Den investering som förefaller kunna komma passa bra i undersökt byggnad är en installation av värmeväxlaren från Spuab. Detta eftersom denna typ av installation är relativt enkel och inköpspriset är relativt lågt jämfört med dess återvinningsgrad. Generellt kan installa- tioner för spillvattenåtervinning vara fördelaktigt att planera för redan i byggnadsskedet. På detta sätt kan byggnaden redan från början anpassas för olika typer av produkter och installationskost- naderna kan hållas nere.
Abstract
The European Union set a goal in 2014 to reduce the energy use by 27 % before 2030. To achi- eve this goals, large reductions in energy use are required in the construction sector. Today the construction sector is responsible for 32 % of the energy usage in Sweden. In recent years, energy efficiency measures like improved building envelope of buildings and other energy optimization measures have been applied. Heating of hot water corresponds to 30-50 % of the total energy use in a building and most of the energy stored in the wastewater leaves the property without being used.
The purpose of this master thesis is to determine in which ways it is possible to recover energy from wastewater. What different products would entail in energy savings, environmental bene- fits and what it would mean in terms of installation costs in investigated reference multi-family residential. In this project, the reference building is HSB condominium Landmärket located in Skellefteå, Sweden, built in 2016-2017.
In this thesis, seven different products have been examined by calculating the potential energy savings, annuity value and reduced emissions of CO2-e. With an installation of the heat pump system from Evertherm is it possible to save up to 144 MWh/year, annuity value -48 800 kr/ye- ar and the installation saves up to 317 tons CO2-e/life span. Spuabs heat exchanger can achieve energy savings of 72 MWh/year, annuity 47 700 kr and emissions savings at 198 tons CO2-e/life span. The heat exchanger from Renewability gives energy savings up to 42 MWh/year, annuity 14 800 kr/year and savings of 116 tons CO2-e/life span. An installation of Ekoflows heat exchanger gives energy savings up to 57 MWh/year, annuity -3 400 kr/year and emission savings at 156 tons CO2-e/life span. The water circulation solution from Oribital systems saves 30 MWh/year, a an- nuity value at -261 500 kr/year and saves up to 33 tons CO2-e/life span. The heat exchanger from Shower Reheat gives energy savings up to 11 MWh/year, annuity -14 300 kr/year and a reduction of emission of 31 tons CO2-e/life span. The shower heat exchanger from Ekologiska byggvaruhus gives energy savings up to 15 MWh/year, annuity value -16 700 kr/year and a reduction of 33 tons CO2-e/life span. The installation that may be the best investment in the investigated refe- rence building is the heat exchanger from Spuab. This due to the relatively simple installation and that the heat exchanger has a high energy recycling rate compared to the purchase price.
Förord
Detta examensarbete har utförts som avslutande moment på civilingenjörsprogrammet i energi- teknik vid Umeå Universitet. Arbetet har genomförts med uppdrag från HSB i samarbete med WSP.
Tack till alla på WSP, HSB och inom andra verksamheter som hjälp mig att genomföra detta arbete.
Sofia Grefve Umeå, juni 2021
Innehåll
1 Inledning 1
1.1 Bakgrund . . . 1
1.2 Syfte och mål . . . 1
1.2.1 Avgränsningar . . . 2
2 Beskrivning av fastigheter som projektet berör 3 2.1 Bostadsrättsföreningen Landmärket, HSB, Skellefteå . . . 3
3 Förstudie och relaterad litteratur 5 3.1 VA-system . . . 5
3.1.1 Tappkallvatten . . . 5
3.1.2 Tappvarmvatten . . . 5
3.1.3 Spillvatten . . . 6
3.2 Värmeväxlare . . . 9
3.2.1 Duschvärmeväxlare . . . 9
3.2.2 Horisontell värmeväxlare Spuab . . . 12
3.2.3 Lodrät värmeväxlare Renewability . . . 12
3.2.4 Ekoflow . . . 13
3.3 Kombinerad vattenåtervinning och värmeväxling . . . 15
3.3.1 Orbital systems . . . 15
3.4 Värmepump . . . 16
3.4.1 Evertherm . . . 17
3.5 Övriga system . . . 18
3.5.1 Graytec . . . 18
3.6 Kostnader vid anpassning av byggnad samt installation . . . 19
3.7 Tidigare undersökningar och relaterade studier . . . 19
3.8 Prisutveckling för energi och VA . . . 20
3.9 Miljönytta med spillvattenåtervinning . . . 22
3.9.1 Miljöpåverkan fjärrvärme- och elproduktion . . . 22
3.9.2 Förenklad LCA av värmeväxlare Ekoflow . . . 23
4 Teori 25 4.1 Energi . . . 25
4.2 Värmeväxling . . . 25
4.3 Värmefaktor . . . 27
4.4 Paybacktid . . . 27
4.5 Kostnadsanalys med annuitetsmetoden . . . 27
4.6 LCA-analys . . . 28
5 Metod 29 5.1 Beräkningsstudie . . . 29
5.1.1 Energipotentialen i spillvatten, gråvatten och duschvatten . . . 29
5.1.2 Värmeväxlare för duschspillvatten . . . 29
5.1.3 Värmeväxlare för gråvatten . . . 29
5.1.4 Värmeväxlare för spillvatten . . . 29
5.1.5 Värmepumpslösningar . . . 30
5.2 Kostnadsanalys . . . 30
5.2.1 Paybacktid . . . 30
5.2.2 Annuitetsmetoden . . . 30
5.3 Miljöbedömning ur ett livscykelperspektiv . . . 30
5.4 Förutsättningar för installationerna i byggnaden . . . 31
6 Resultat 32 6.1 Kostnader vid installation och anpassning av byggnad . . . 32
6.2 Energipotentialen i spillvatten samt energi för uppvärmning av tappvatten . . . 37
6.3 Prestanda för de olika produkterna . . . 38
6.4 Paybacktid och annuitetsanalys . . . 40
6.5 Minskad miljöpåverkan med de olika produkterna . . . 40
7 Diskussion 42 7.1 Slutsats . . . 47
Referenser 48
Bilaga A i
Bilaga B ii
Bilaga C iii
1 Inledning
Spillvatten från bostäder är en energikälla som i dagsläget är relativt outnyttjad. I detta arbete går det att läsa om olika lösningar för att ta tillvara på den energi som finns i spillvatten.
1.1 Bakgrund
I dagsläget står byggsektorn för ungefär 32 % av den totala energianvändningen i Sverige [1] och utgör därav en hög andel av Sveriges totala energianvändning. Europeiska unionen satte 2014 mål om att minska energianvändningen med 27 % innan 2030, om detta ska uppnås krävs minskning- ar av energianvändningen inom byggsektorn [2].
De senaste åren har energieffektiviserande åtgärder inom byggsektorn tillämpats och en minsk- ning av energiförbrukning i byggnader har uppnåtts [3]. Detta framför allt genom en förbättring av husets klimatskal vilket medför att en mindre mängd energi går åt till uppvärmning men även en förbättring av teknik som är kopplad till energioptimering för uppvärmning och kylning [3].
Byggnaders utformning och prestanda förbättras hela tiden och idag byggs oftast moderna bygg- nader med låg energianvändning. Vissa av dessa byggnader har så pass låg energianvändning att de får kallas lågenergi- eller passivhus. Som beskrivet ovan har mycket av förbättringarna gjorts av husets klimatskal samt förbättring av teknik som optimerar och minskar energianvändningen.
Detta leder till att en stor del av den totala energianvändningen går till att värma upp tappvatten.
Majoriteten av den värmeenergi som finns i tappvattnet försvinner med spillvattnet utan att nytt- jas fullt ut innan det lämnar fastigheten [4].
I dagsläget motsvarar uppvärmning av tappvarmvatten ungefär 30-50 % av den totala energian- vändningen i byggnader som klassas som lågenergi- eller passivhus [5]. Trots att uppvärmning av tappvarmvatten är en energikrävande process så går uppemot 85-90 % av energin i tappvarm- vattnet till spillo [4]. Detta då spillvatten som lämnar en fastighet har en relativt hög temperatur och innehåller energi som lämnar byggnaden utan att nyttjas [6, 7, 8]. Fram tills nu har energiåter- vinningsåtgärder i samband med uppvärmning och förbrukning av tappvatten i liten utsträckning tillämpats. Teknik och studier om att ta tillvara på energin som förloras med spillvattnet är begrän- sad, trots att uppvärmning och förbrukning av tappvarmvatten i dagsläget är den största källan till energiförluster i en byggnad [7].
1.2 Syfte och mål
I detta examensarbete undersöks hur potentialen för återvinning av spillvatten i ett flerfamiljshus ser ut. Arbetet omfattar en utvärdering av energibesparing samt en analys av installationsförut- sättningar samt kostnader. Följande punkter besvaras:
• Vad energiåtervinning av spillvatten skulle medföra för energibesparing, samt vilken mil- jönytta detta skulle leda till.
• Vad energiåtervinning av spillvatten skulle innebära installations- och kostnadsmässigt i en redan befintlig byggnad.
1.2.1 Avgränsningar
I detta arbete undersöks åtgärder för återvinning av spillvatten som går att installera i eller i den tilltänkta byggnadens direkta närhet. Alternativ som att återvinna energi från spillvattnet i de lo- kala reningsverket ingår inte i omfattningen av detta arbete.
Undersökningen av miljönytta vid installationer för energiåtervinning av spillvatten har begrän- sats till att undersöka en värmeväxlare och dess utsläpp av CO2-ekvivalenter i produktionsskedet jämfört med hur mycket CO2-ekvivalenter som är möjligt att bespara vid en installation. Data om produktens CO2-ekvivalenter är tagen från en undersökning som leverantör och tillverkare av undersökt produkt tagit fram.
2 Beskrivning av fastigheter som projektet berör
Beskrivning av objekt som undersökts i följande arbete.
2.1 Bostadsrättsföreningen Landmärket, HSB, Skellefteå
HSB bostadsrättsförening Landmärket ligger i centrala Skellefteå och består av två byggnader.
Byggnaderna visas i figur 1. Husen byggdes under 2016-2017 och stod inflyttningsklara somma- ren 2017. Föreningens lokaler har en total yta på 7430 m2varav boytan är 5470 m2 fördelat på de två huskropparna. Byggnaderna är 10 respektive 13 våningar höga med ett gemensamt källar- plan som knyter samman byggnaderna. Fastigheten består av 67 lägenheter fördelat på 2-4 rum motsvarande 71,5-91 m2samt förråd, uthyrningsrum, tvättstuga mm.
Figur 1:En bild på BRF Landmärket HSB, Skellefteå.
I fastigheten bor, med uppgifter från HSB, 123 personer och vattenförbrukningen under de tre år som huset har varit bebott går att se i figur 2. I figuren är tappvattenförbrukningen uppdelat i total vattenförbrukning samt mängden varmvatten som förbrukats.
2018 2019 2020 0
1,000 2,000 3,000 4,000 5,000
6,000 5,742
5,477 5,531
1,742 1,648 1,682
Vattenförbrukning[m3]
Vattenförbrukning Varmvattenförbrukning
Figur 2:Tappvattenförbrukning i Landmärket, HSB, Skellefteå.
Byggnaderna är sammanbyggda på källarplan där bland annat garage, förråd och undercentralen finns. Huskropparna delar undercentral för inkommande fjärrvärme, kallvatten, uppvärmning av tappvatten samt uppvärmning för radiatorer och golvvärme. Avloppsvattnet är två skilda system, ett för var huskropp, som är sammankopplade med det lokala VA-nätet i två olika punkter. I var huskropp finns tre avloppsstammar som är bundna till en lägenhet per våningsplan, så i hela fastigheten finns totalt sex avloppsstammar.
3 Förstudie och relaterad litteratur
Temperaturen på det inkommande tappvattnet i en fastighet kan variera under årstiderna då det påverkas av den omkringliggande markens temperatur [9]. Tappvattnets temperatur påverkas även av dimensioner och material på rör samt flödeshastigheterna i rören [9]. Detta medför att tappvattnet har en temperatur som kan variera mellan 10-25°C. För att värma inkommande tapp- vatten till en tappvarmvattentemperatur på 50-60°C krävs det energi. Ju lägre temperatur det in- kommande vattnet har desto mer energi måste tillföras för att värma upp det till önskad tempera- tur [10]. När spillvattnet spolas ner i avloppet har det en medeltemperatur på 21-27°C [11, 12, 13]
och den termiska energin som finns i spillvattnet lämnar fastigheten utan att nyttjas [6].
3.1 VA-system
I en byggnad finns tapp- och spillvattensystem för att kunna tillföra vatten till bygganden och föra bort kontaminerat och förbrukat vatten [10]. I förbindelsepunkter i anslutning till fastigheten är tappvattnet och avloppet anslutet med det lokala VA-nätet på orten. Det lokala VA-nätet förser fastigheten med färskvatten och leder kontaminerat spillvatten till det lokala reningsverket för att renas [10].
3.1.1 Tappkallvatten
Inkommande tappkallvattentemperatur varierar under året. I de södra delarna av Sverige varie- rar ytvattentemperaturen mellan 4-15°C och djupvattentemperaturen mellan 5-8°C [10]. I Instal- lationsföretagens Teknikhandbok VVS 2017 [14] står att om råvatten hämtas från en djupvatten- täkt håller det i större utsträckning en jämnare temperatur omkring 5-10°C än om det kommer från en ytvattentäkt. Centrala Skellefteå förses idag med tappvatten från en djupvattentäkt. När detta vatten inte räcker till så infiltreras även älvvatten [15, 16]. Enligt ritningar tillhandahållna av HSB är den undersökta fastigheten dimensionerat för en tappvattentemperatur på 10°C och denna temperatur används vid beräkningar i följande rapport. Enligt Svenskt Vatten så är genomsnitt- förbrukningen av tappvatten i Sverige ungefär 140 l/dag, person [17]. Hur mycket vatten varje hushåll använder varierar mycket och olika familjer bestående av samma antal personer använ- der oftast olika stor mängd vatten. Undersökningar visar också att i byggnader där individuella vattenmätare används är de boende mer restriktiva med sin vattenkonsumtion [18].
3.1.2 Tappvarmvatten
Temperaturen på tappvarmvatten inom en fastighet ska hållas mellan 50-60°C enligt regler från Boverket och för att uppnå dessa temperaturer krävs en mängd tillförd energi [19]. Om vattnet är mellan 40-50°C är det gynnsamt för tillväxt av legionellabakterier som är hälsoskadliga [10, 14] och om vattentemperaturen överskrider 60°C finns det risk för att vattnet i kontakt med hud orsakar brännskador [10, 19]. En sammanställning över fördelning av varm- och kallvattenförbrukning i lägenheter från litteratur visas i tabell 1.
Tabell 1:Sammanställning av fördelning av varm- och kallvattenförbrukning i lägenheter från litteratur, där KV står för kallvatten och VV står för varmvatten.
Källa [20] [21] [22] [23] [24] [10] [3]
Kök KV 17 % 7 % 9 % 6 % 18 % 35 % 11 %
Kök VV 26 % 11 % 21 % 19 % 23 %
Dusch/Bad KV 13 % 12 % 13 % 40 %
Dusch/Bad VV 26 % 43 % 25 % 38 % 27 % 30 %
Tvättställ KV 8 % 5 % 8 % 6 %
Tvättställ VV 10 % 5 % 11 %
WC 21 % 23 % 19 % 30 %
Tvättmaskin 11 % 12 % 10 % 13%
Övrig 7 % 6 % 25 %
Notis WC & tvättm. Två lgh WC & tvättm.
ej inräknat undersökta som ej inräknat
saknar tvättm.
3.1.3 Spillvatten
Avloppsvatten är ett samlingsnamn för spill-, dag- och dräneringsvatten [10]. Spillvatten är i sin tur det vatten som kommer från hushåll och fastigheter och kan delas upp i gråvatten och svartvat- ten. Svartvatten kommer från toaletter och är oftast mer kontaminerat än gråvatten [25]. Gråvatten är mindre förorenat vatten som kommer från kök, dusch- och tvättrum [26]. I tabell 2 visas tempe- raturer på spill-, grå- och duschvatten sammanställt från litteratur.
Tabell 2:Sammanställning av spill-, grå- och duschvattentemperaturer från litteratur.
Temperatur [°C] Källa Spillvatten
21-26 [11]
27 [12]
27 [13]
Medel: 25,83
Gråvatten
32,8 [3]
18-38 [27]
24-27 [28]
30 [29]
Medel: 29,08
Duschvatten
33 [3]
34-37 [30]
30,4 [31]
36 [32]
Medel: 33,73
När spillvatten via avloppssystemet lämnar byggnaden och transporteras via det lokala VA-nätet till reningsverket så tenderar temperaturen på avloppsvattnet att minska. Detta på grund av att den omkringliggande marken oftast har en lägre temperatur än avloppsvattnet, vilket medför att värmen i avloppsvattnet övergår till marken och avloppsvattnets temperatur minskar [33]. I undersökningar utförda av Arnell m.fl. (2014) har observationer om att avloppsvattnet och marken har samma temperatur ungefär 10 km efter sin ursprungskälla. Viktigt att tänka på är att detta har en direkt koppling till hur stort flödet av spillvattnet är och avloppssystemets dimension [33].
Spillvattenåtervinning kan ske på flera olika sätt, på komponentnivå som exempelvis direkt i en dusch, fastighetsnivå, kvartersnivå eller på reningsverket [34]. I figur 3 visas detta schematiskt.
Figur 3:Överblick av potentiella ställen att återvinna spillvärme från spillvatten: 1. Återvinning på komponentnivå, 2.
Återvinning på fastighetsnivå, 3. Återvinning på kvartersnivå och 4. Återvinning på reningsverk. Inspirerad av [34].
Alternativ finns där man återvinner energin på reningsverken men detta ligger utanför projektets gränser.
Separering av spillvatten
Det finns fördelar med att separera gråvatten och svartvatten. Enligt en artikel “CO2-neutral was- tewater treatment plants or robust, climate-friendly wastewater management? A systems per- spective“ finns 85 % av energin i gråvattnet [35]. Om svartvatten och gråvatten skiljs åt är det möjligt att öka värmen i den källa som skall återvinnas och på så sätt få en återvinningskälla som har en högre temperatur och således ett högre energiinnehåll. När gråvattnet lämnar fastigheten via avloppet innehåller det ungefär 70-80 % av den energi som krävs för att värma upp tapp- varmvattnet i samma fastighet [36]. I en befintlig bostad där implementering av ett separat grå- och svartvattenssystem är inplanerad kan det på grund av utrymmesskäl i schakt bli svårt att ge- nomföra. För en nybyggnation kan en separering av svart- och gråvatten planeras in redan före byggnationen och på så sätt kan en sådan lösning vara enklare att implementera. En annan fördel med att skilja på svart- och gråvatten är att det mer kontaminerade svartvattnet kan skapa be- läggningar och orsaka stopp i värmeväxlare. Om det mer kontaminerade vattnet leds i en separat ledning så minskar risken att problem uppstår i värmeväxlaren.
Lagring av termisk energi
För att optimera användningen av spillvattnet som energikälla kan det finnas fördelar med att kunna lagra den termiska energi som spillvattnet innehåller. Installation av tankar gör det möjligt att lagra energin vilket möjliggör förvärmning av till exempel inkommande tappvatten med vär- men från spillvatten i takt med hur behovet av tappvarmvatten varierar över tid [33].
3.2 Värmeväxlare
För att ta tillvara på energin som går förlorad med spillvattnet finns olika lösningar att tillämpa där de flesta bygger på att ta tillvara på värmen som finns i spillvattnet. Genom att återvinna värmen ur spillvatten med värmeväxlare går det att ta tillvara på den termiska energi som finns lagrad. En värmeväxlare fungerar genom att en överföring av den termiska energin som finns i två eller flera medium sker utan att dessa korsas eller mixas med varandra [37]. Energiöverföringen drivs av temperaturdifferensen mellan flödena som växlas. Ju högre temperaturdifferens är mellan exempelvis utgående spillvatten och inkommande kallvatten, desto effektivare är värmeväxlaren.
Det finns olika typer av värmeväxlare, bland annat vertikala-, horisontella-, rör-i-rör- och dusch- värmeväxlare.
Värmeväxlare har olika utseenden och monteringsätt beroende av fabrikat [32]. Verkningsgraden varierar mellan olika produkter och verkningsgrader angivna nedan är värden tagna från åter- försäljare. Genom att värmeväxla det utgående spillvattnet mot det inkommande tappvattnet är det möjligt att höja temperaturen på det inkommande tappvattnet så att mindre energi behöver tillföras för att värma det till en tappvarmvattentemperatur på 50-60°C. I artikeln “Energy in the urban water cycle: Actions to reduce the total expenditure of fossil fuels with emphasis on heat reclamation from urban water“ skriven av Elías-Maxila m.fl. (2014) framgår att återvinning med olika värmeväxlare i anslutning till en fastighet är ekonomiskt fördelaktigt om den tillförda vär- men är minst 80 kJ/s [33].
Prisbild
Priser angivna i rapporten är hämtade från återförsäljares hemsidor. Om uppgifter på hemsidan saknats är följande priser framtagna i samråd med aktuell återförsäljare. Priserna är specifika för produkter som är avsedda för undersökt byggnad och finns för att ge en prisbild av vad en in- vestering ungefär skulle innebära. Exempelvis om en duschvärmeväxlare är föreslagen är priset angivet för duschvärmeväxlare till alla duschar i fastigheten. Alla priser som presenteras i rappor- ten är angivna exklusive moms.
3.2.1 Duschvärmeväxlare
Ett sätt att ta tillvara på energin i spillvattnet är att installera en duschvärmeväxlare. Eftersom duschning är en av de mest energikrävande aktiviteter relaterade till uppvärmning av tappvarm- vatten så är i regel duschvattnet det spillvatten som innehåller mest energi [33]. Gemensamt för alla duschvärmeväxlare är att de är monterade i direkt anslutning till värmekällan och återvin- ner energi då spillvattnet är som varmast [32]. Duschvärmeväxlare kan se olika ut och en del är platta i sin utformning så att det är möjligt att stå på den direkt i duschen. Andra kan monteras i direkt anslutning under en duschkabin eller badkar [33]. En duschvärmeväxlare kan även integre- ras i golvbrunnen eller så kan den bestå av en rör-i-rör växlare som monteras i avloppsröret. En duschvärmeväxlare kan vara av varierande storlek och ha en diameter mellan 1-7,5 cm och variera i längd mellan några centimeter uppemot 1,8 m [32].
Shower Reheat
Shower Reheat är en duschvärmeväxlare som monteras direkt under duschkabinen och består av en mantelvärmeväxlare med motströmsflöde. Varmt vatten från duschen rinner i mitten av värmeväxlaren och förvärmer de kalla inkommande tappvattnet som leds i den yttre manteln, en bild av värmeväxlaren visas i figur 4 [38]. Metallslangarna består av veckningar som ska skapa turbulens vilket ger en effekt av ökad värmeöverföring och rengöring. Shower Reheaten har enligt tillverkare en återvinningsgrad på 30-35 % och en livslängd på 50 år [38]. En sammanställning av information finns i tabell 3.
Figur 4:En bild av Shower Reheats duschvärmeväxlare [38].
Installation
Shower Reheat installeras under duschkabin, badkar eller duschkar [38].
Tabell 3:Sammanställning av Shower Reheat värmeväxlare [38].
Energiåtervinning Livslängd Pris VVX 30-35 % minst 50 år 166 160 kr
Duschvärmeväxlare från Ekologiska byggvaruhus
Duschvärmeväxlaren installeras horisontellt i så nära anslutning till värmekällan som möjligt, allt- så direkt under duschkabin, badkar eller duschplatta. Detta för att kunna återvinna så mycket energi i duschspillvattnet som möjligt. Duschvärmeväxlaren värmer upp det inkommande tapp- vattnet med det utgående spillvattnet med ett motströmsflöde och har enligt leverantören en verk- ningsgrad på upp till 40 % och en livslängd på 30-40 år [39]. En bild av värmeväxlaren går att se i figur 6 och i tabell 4 finns en sammanställning av information om duschvärmeväxlaren.
Figur 5:En bild av duschvärmeväxlaren från Ekologiska byggvaruhus [39].
Installation
Denna värmeväxlare kan installeras under duschkabin, duschplatta eller badkar vilket innebär att ingen åverkan på tätskikt krävs. En flexslang monteras för att färskvatten ska kunna ledas in i värmeväxlaren och värmeväxlaren ansluts till avloppsröret antingen med flexslang eller med standard avloppsrör. För optimal återvinning krävs att produkten installeras horisontellt [39].
Tabell 4:Sammanställning av duschvärmeväxlare från Ekologiska byggvaruhus [39].
Energiåtervinning Livslängd Pris upp till 40 % 30-40 år 224 852 kr
3.2.2 Horisontell värmeväxlare Spuab
Spuab är en värmeväxlarteknik för spillvatten och den består av en rör-i-rör konstruktion med små inbuktningar för att skapa ett turbulent flöde. Ett turbulent spillvattenflöde ökar värmeöver- föringsförmågan i röret och möjliggör en större mängd återvunnen energi på en kortare sträcka [32]. Inbuktningarna och det turbulenta flödet bidrar även till att värmeväxlaren blir självrengö- rande och underhållsfri [40]. Runt om de rör som avloppsvattnet transporteras i finns en mantel där inkommande tappkallvatten transporteras och förvärms, värmeväxlaren visas i figur 5. Enligt tillverkarna finns potentialen till att återvinna upp till 70 % av värmen som finns i spillvattnet [40].
I tabell 5 finns en sammanställning av information om Spuabs värmeväxlare.
Figur 6:En bild av Spuabs värmeväxlare [41].
Installation
Spuabs värmeväxlare installeras med fördel i närhet till en undercentral genom att en del av det befintliga avloppsröret byts ut och ersätts med värmeväxlaren. Enligt tillverkare är det möjligt att installera värmeväxlaren ovan mark genom att fästa den på en lämplig vägg. Möjlighet finns även att gräva ner den under platta i mark, detta eftersom underhållsbehovet är nästintill obefintligt.
Tabell 5:Sammanställning av Spuabs värmeväxlare [40].
Energiåtervinning Livslängd Pris upp till 70 % minst 50 år 198 700 kr
3.2.3 Lodrät värmeväxlare Renewability
Renewability är en värmeväxlare som monteras lodrätt på avloppsröret. Värmeväxlaren är ut- formad av ett rör i mitten där varmt avloppsvatten leds, runt om röret är ett tunnare rör lindat där inkommande tappvatten leds [42]. Detta gör att det varma spillvattnet förvärmer inkomman- de tappkallvatten så att mindre energi för vidare uppvärmning krävs [43]. Värmeväxling sker i ett motströmsflöde och värmeväxlaren har enligt leverantören en verkningsgrad på upp till 47 % mätt direkt på värmeväxlaren [43]. Värmeväxlaren begränsas genom att den endast kan värme- växla tappkallvatten till fyra lägenheter. Begränsningen ligger i att tryckfallet för inkommande tappkallvatten kan bli för stort ifall mycket vatten skulle tappas samtidigt. I tabell 6 finns en sam- manställning av information om värmeväxlaren och i figur 7 visas en bild av värmeväxlaren.
Figur 7:En bild av Renewabilitys värmeväxlare [44].
Installation
Värmeväxlaren från Renewability monteras lodrätt på avlopsstammen och placeras med fördel i källare eller under hus där allt spillvatten i fastighetens avloppssystem passerar. Om flera av- loppsstammar finns kan en värmeväxlare monteras på var avloppsstamm. På avloppsstammen monteras Renewability-tekniken genom att den ersätter en bit av det avkapade avloppsröret och har en anslsutningsdiameter på 100 mm [43].
Tabell 6:Sammanställning av Spuabs värmeväxlare [43].
Energiåtervinning Livslängd Pris upp till 47 % 50 år 149 400 kr
3.2.4 Ekoflow
Ekoflow är en värmeväxlare som skapar turbulent flöde och förvärmer det inkommande vattnet i ett motströmsflöde. Värmeväxlaren finns i olika varianter där den enklaste återvinner värmen i spillvattnet och förvärmer inkommande tappvatten utan lagring. Det finns även systemlösning- ar med ackumulatortank och värmepump som bland annat ger möjlighet till lagring av energin.
Beroende av storlek på värmeväxlaren och flöden i den tilltänkta byggnaden så kan Ekoflow ha en verkningsgrad på upp till 85 % [45]. I denna rapport har en installation av en Ekoflow utan värmepump och lagringsmöjligheter undersökts. Ekoflow 6:20 utan värmepump och lagringsmöj- ligheter uppges enligt tillverkare återvinna omkring 55 % av energin i spillvattnet. För att uppnå optimal energiåtervinning så bör svartvatten och gråvatten separeras, men det är inget krav. I föl- jande rapport kommer möjligheter att återvinna spillvatten att undersökas, alltså ingen separering av spill- och gråvatten. Detta på grund av hur byggnaden är utformad i dagsläget. Utformningen
av värmeväxlaren med flera rör ovanför varandra, som ses i figur 8, gör att den får en lång värme- växlingsarea på en begränsad yta. Att rören är placerade på varandra medför även att vatten blir stående i växlaren och får på detta sätt en lagringseffekt. Underhåll i form av rengöring bör göras en gång per vecka och detta utförs via en lucka och den medföljande vattendrivna rensproppen och tar ungefär 1 h att genomföra. Livslängden för värmeväxlaren uppges vara 50 år [45], en sam- manställning av information om värmeväxlaren finns i tabell 7.
Figur 8:En bild av värmeväxlaren Ekoflow 6:20 från Eko by Isakssons [45].
Installation
Ekoflows värmeväxlare monteras med fördel i exempelvis en källare där spillvattnet har som högst temperatur och sitter lättillgänglig för rengöring [45]. Installation och anpassning av vär- meväxlaren ska genomföras av fackman och ingår i prisuppgiften enligt uppgifter via mejl från
återförsäljare av produkten.
Tabell 7:Sammanställning av Ekoflows värmeväxlare [45].
Energiåtervinning Livslängd Pris inkl. installation Underhåll
55 % 50 år 800 000 kr 8 880 kr/år
3.3 Kombinerad vattenåtervinning och värmeväxling
I världen så minskar tillgången på färskvatten i allt större utsträckning [46]. Även om det i stora delar av Sverige i dagsläget inte finns något större problem med vattentillgång så hotas de re- na färskvattnet av klimatförändringar. I takt med att ett extremare väder förutspås så ökar risk för översvämningar som eventuellt kan komma att förorena vattenkällor där dricksvatten hämtas.
Läget om tillgång till färskvatten ser inte lika ut i hela Sverige, i sydöstra Sverige och på Gotland så råder ett hot om vattenbrist [47]. På marknaden finns värmeväxlare som är kombinerade med re- ningslösningar som renar och återanvänder gråvattnet samtidigt som energin återvinns. Det finns systemlösningar som är anpassade för både komponent- och fastighetsnivå, nedan går att läsa om en systemlösning på komponentnivå.
3.3.1 Orbital systems
Orbital systems är en vattencirkulerande lösning som sparar energi samtidigt som den återanvän- der vatten så att vattenförbrukningen minskar. Processen i Orbital systems fungerar genom att vatten från duschmunstycket rinner ner i avloppet där det sitter sensorer som mäter hur förorenat vattnet är och avgör om vattnet går att återvinna eller ska ledas ner i avloppet [48]. För smutsigt vatten leds direkt till avloppet men om vattnet är tillräckligt rent åker det vidare till huvudenheten där rening sker. När reningenen är klar kontrolleras vattentemperaturen och en elvärmare värmer vattnet vid behov. Sedan skickas vattnet till duschmunstycket igen, denna process sker om och om igen under hela tiden duschen är igång. Under en tio minuter lång dusch är de med Orbital systems möjligt att spara uppemot fyra gånger av vattenmängden och tre gånger av energiför- brukningen jämfört med en dusch där Orbital system inte är installerad [49]. Orbital systems har enligt leverantör en energiverkningsgrad som motsvarar cirka 80 % samt en vattenåtervinnings- grad på ungefär 90 % [50]. Enligt återförsäljare är livslängden för Orbital Systems upp till 20 år.
Installationen kräver ett visst underhåll, underhållet omfattar byte av filterkapsel var sjätte månad och var tjugonde dusch måste ett rengöringsprogram utföras, samt kontinuerlig rengöring av sen- sortanken [49]. Rengöringsprogrammet kräver en rengöringstablett som kostar cirka 80 kr/år och filterkapseln kostar ungefär 480 kr/år. En bild av ingående komponenter i Orbital Systems går att se i figur 9 och en sammanställning av information om Orbital systems går att läsa i tabell 8.
Figur 9:En bild av ingående komponenter i Orbital systems. Duschmunstycke, golvbrunn med sensor för mätning av föroreningar i vattnet, reningsverk och reglage av värme [49].
Installation
Orbital system byggs in i golv och väggar i anslutning till duschutrymmet. Det krävs internetan- slutning framdraget till installationsplatsen för att tekniken i Orbital systems ska fungera. Orbital systems kräver installation av en fackman [49].
Tabell 8:Sammanställning av Orbital Systems värmeväxlare [49].
Energiåtervinning Vattenåtervinning Livslängd Pris Underhåll
80 % 90 % 20 år 2 674 640 kr 37 500 kr/år
3.4 Värmepump
Ett sätt att öka värmen och energiinnehållet från spillvattnet är att leda spillvattnet genom en vär- mepump. Värmepumpar överför värme från en fluid med låg temperatur till en fluid med högre temperatur och höjer temperaturen i fluiden med lägre temperatur [51, 52]. Med en värmepump
är det möjligt att utvinna mer värmeenergi än den el som behöver tillföras i processen. En värme- pump kan drivas av många olika termiska värmekällor, vanligast är bland annat jordvärme och bergvärme. Spillvatten är en stark kandidat som termisk källa för värmepumpar [6].
3.4.1 Evertherm
Evertherms system för återvinning av spillvatten är en värmepumpslösning med möjlighet till lag- ring av energin i tankar. Värmepumpen och energilagringsmöjligheter gör det möjligt att återvinna upp till 95 % av den energi som finns i spillvattnet [53]. Återvinningen sker genom att spillvattnet från en fastighet leds via avloppsstammen till en pumpgrop där spillvattnet finfördelas. Sedan leds det finfördelade spillvattnet vidare till en bufferttank som har till uppgift att utjämna flödes- variationer. Efter bufferttanken leds spillvattnet vidare till kollektortanken där energiavlämning via plattvärmeväxlare sker till värmepump och ackumulatortank. Från ackumulatortanken delas värmen med byggnadens vatten- och värmesystem. Energilagringsmöjligheter i ackumulatortan- ken gör så att uttag av energi kan anpassas efter behovet i den aktuella byggnaden. I Evertherms system finns ett styr- och optimeringssystem som mäter, kontrollerar och reglerar flöden, tempe- raturer och olika nivåer för att systemet ska nyttjas optimalt och att maximal energiåtervinning ska ske [54]. Evertherms system gör det möjligt för värmepumpen att snabbt utvinna energi ur det varma spillvattnet och sänka dess temperatur. Systemlösningen går även att få utan värme- pump men uppges då få en återvinningspotential mellan 20-25 % [53]. I figur 10 visas en bild på ingående komponenter i Evertherms systemlösning för energiåtervinning av spillvatten och en sammanställning av information finns i tabell 9.
Figur 10:En bild av ingående komponenter i Evertherms lösning om spillvattenåtervinning. I bilden syns pumpgrop, bufferttank, kollektortank, värmepump samt ackumulatortanken installerad i en fiktiv byggnad [55].
Installation
Evertherm står för installation och driftsättning av ingående komponenter. Följande krävs av byggnaden och beställaren för att en installation av Evertherms lösning skall kunna genomföras:
• Förberedelse av mark och gjuten platta i marken för utomhustankarna samt infästning av utomhustankarna i gjuten platta.
• Ledningar för köldbärare från kollektortank ska finnas framdragen för anslutning till vär- mepump.
• Anslutningspunkt för värmepump mot befintligt värmesystem på varma sidan ska vara framdragen för anslutning, det ska även finnas en energimätare som kan mäta mängden levererad energi från värmepumpen.
• Beställaren måste tillhandahålla en slingtank för att värmepumpen ska kunna överföra den producerade värmeenergin mot de befintliga vatten- och värmesystemet i fastigheten.
• El ska vara framdraget i undercentral för värmepumpen och styrskåp. Till styrskåpet ska även en nätverkskabel finnas framdragen.
• Anslutningar för köldbärare, avlopp och avluftning skall vara framdraget i isolerade rör.
• Anslutning för återpumpning av spillvatten.
• Tillgång till vattenutkast i närhet till tankar och pumpgrop för framtida service och under- hållsarbete.
Tabell 9:Sammanställning av Evertherms spillvattenlösning [54].
Energiåtervinning COP-värde Livslängd Pris
minst 90 % 4,61 40 år 1 800 000 kr
3.5 Övriga system
På marknaden finns en lösning som återvinner vatten och energi i gråvatten på fastighetsnivå.
Denna är inte undersökt för installation i aktuell byggnad då den lämpar sig främst till nybygg- nadsprojekt.
3.5.1 Graytec
Graytecs lösning kallas Blue Circle System och detta system samlar upp gråvatten från byggna- den och renar vattnet för att det sedan skall kunna återföras till byggnaden [56]. Spillvatten från dusch, handfat och kök leds till en kollektortank som sedan renar gråvattnet genom ultrafiltrering, filtrering med aktivt kol och jonfiltrering. Det renade vattnet samlas i en renvattentank där vatt- nets kvalitet kontrolleras, om vattnet uppfyller krav om renhet så leds det tillbaka in i byggnaden för användning. Om vattnet ej uppfyller krav om renhet så leds det vidare till avloppssystemet [57]. På detta sätt är det möjligt att minska vattenmängden med cirka 60 % och minskning av uppvärmning av tappvatten med cirka 80 %, enligt leverantör [56].
Installation
Graytec kräver ett avloppssystem som separerar grå- och svartvatten [57]. Utformning av tapp- varmvattensystem blir ganska traditionell förutom att det förvärms i systemlösningen. Utrymme för systemlösning kan på grund av systemets storlek bli svårt att få till i en redan befintlig fastig- het. Efter kontakt med återförsäljare av Graytec framkommer att i dagsläget finns det utrustning
som klarar ungefär 50 lägenheter och den finns installerad i HSB Living Lab och kräver ett utrym- me på cirka 9 m2.
3.6 Kostnader vid anpassning av byggnad samt installation
För de produkter där kostnaden för installationen inte är medräknad har dessa antingen tagits fram i samråd med återförsäljarna eller med boken Wikells Sektionsfatka-VVS 19/20 [58]. Enligt Wikells sektionsfakta-VVS 19/20 kostar en installatör 185 kr/h med ett omkostnadstillägg på 292
% [58].
3.7 Tidigare undersökningar och relaterade studier
Sandvikenhus har installerat Spuabs värmeväxlare i några av sina fastigheter [59, 60] bland annat i hyresfastigheten Dalslänningen. Spuabs värmeväxlare placerades vid en renovering i slutet av avloppsstammen för att ge möjlighet att återvinna energi ur hela fastighetens spillvatten. Under perioden maj 2014 till februari 2015 utfördes en studie av Skanska Teknik och Tommy Walfridsson för att undersöka den verkliga verkningsgraden för fastigheten. Den verkliga verkningsgraden kunde under den uppmätta perioden fastställas till 12±3 % [59].
BELOK genomförde en undersökning med värmeväxlare från Spuab i en fastighet belägen på Vasagatan 7 i Stockholm. Fastigheten innehåller hotell, restauranger samt kontorslokaler och vär- meväxlaren hade en återvinnngsgrad på ungefär 29 % under testperioden som pågick under 6- 7 månader [60]. Efter testperioden monterades värmeväxlaren ned och det konstaterades då att den blivit kraftigt nedsmutsad. Detta tros bero på att en restaurang i byggnaden släppt ut en stor mängd fett då deras fettavskiljare inte fungerat optimalt. Hotellverksamheten i fastigheten medför att en kraftig flödesvariation uppstår, detta eftersom stort spillvattenflöde uppkommer när många duschar samtidigt, hotelltvättstugan är igång och restaurangverksamheten serverar mat. Detta gör så att spillvattenflödet blir stort och växlaren har vid stora spillvattenflöden en låg återvinnings- effektivitet. När flödena är mindre så har värmeväxlaren en bättre återvinningseffektivitet [60].
I artikeln ”Shower water heat recovery in high-rise residential buildings of Hong Kong” [32] un- dersöks potentialen med att återvinna energi genom duschvärmeväxlare. I artikeln framgår att det med en duschvärmeväxlare som är 1,5 m lång och har en diameter på 50 mm är möjligt att återvinna mellan 4-15 % av den energi som finns i duschvattnet, vilket motsvarar en sänkning av duschspillvattnets temperatur med mellan 5-8 °C [32].
HSB Living Lab utförde under 2019 en undersökning av två olika duschvärmeväxlare, ena var Shower Reheat samt en duschvärmeväxlare från Ekologiska byggvaruhus. Värmeväxlarna testa- des på HSB Living Lab som är ett flerbostadshus i Göteborg placerat på Chalmers campus och inhyser studenter, forskare och anställa från HSB [61]. HSB Living Lab är en byggnad där olika projekt testar olika nya tekniska och arkitektoniska innovationer som ger kunskap för att bygga bostäder som är hållbara i framtiden [62]. Värmeväxlarna har testats i ett klusterboende där sex personer delar på två badrum. Under 10 veckor genomfördes testerna och Shower Reheats värme- växlare fick en energibesparing på 13 %, vilket gav en återbetalningstid på 23 år. Duschvärmeväx- laren från Ekologiska byggvaruhus fick en energiåtervinning på 50 % mindre än Shower Reheat
och en återbetalningstid på 37 år (aktuella prisläget för Shower Reheats värmeväxlare var 3700 kr exkl. moms och duschvärmeväxlaren från Ekologiska byggvaruhus var 3 900 kr exkl. moms) [61].
HSB Living Lab testade under början av 2019 att leda återvunnet vatten som var renat med Gray- tecs lösning tillbaka till två duschar i ett boendekluster i HSB Living LAB, Chalmers, Göteborg.
Testet visade en minskning av energikonsumtionen med 50-55 % och en minskad vattenkonsum- tion för dusch och tvättställ med 85-91 % [57].
3.8 Prisutveckling för energi och VA
Priset för fjärrvärme och elenergi är inte konstant och kan komma att förändras över tid. Detta beroende av olika faktorer, bland annat på inflation men även på tillgången av energi. I figur 11 ses producerad el i Sverige mellan 1970 till 2018 i TWh redovisat per kraftslag.
Figur 11:Sveriges elproduktion från 1970 till 2018 i TWh uppdelat per kraftslag [63]. Fram till 1996 är vindkraft och vattenkraft redovisad i samma post.
Som visas i figur 11 stod vattenkraft för 39 % och kärnkraften för 41 % av den totala elproduktionen 2018 [63]. Detta gör att vatten- och kärnkraft tillsammans utgör de största källorna till elproduk- tionen i Sverige. Sedan 2015 har totalt fem kärnkraftsreaktorer stängts ner och detta innebär att Sverige idag har sex stycken aktiva kärnkraftsreaktorer [64, 65]. Energin som inte lägre produce- ras med kärnkraft ska produceras på andra sätt och med en avveckling av kärnkraft gäller det att andra energikällor tas i bruk för att kunna förse Sverige med den efterfrågade elenergin. Sedan 90-talet har genomsnittsförbrukningen på energi i Sverige varit ungefär 140 TWh [63] och om pro- duktionen av el inte kan tillmötesgå efterfrågan så kommer elpriserna att påverkas [65].
Prisutveckling för el i Sverige har förändrats genom åren och har i genomsnitt ökat med 2,4 % per år sedan 2000 [66]. Den procentuella prisförändringen från 2000-2020 visas i figur 12.
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020
−15
−10
−5 0 5 10 15
Prisutveckling[%]
Prisutveckling för el
Figur 12:Procentuell prisutveckling per år av elpriset i Sverige mellan 2000-2020, sammanställt av data från Nils Hol- gersson rapporten [66].
Prisutvecklingen för fjärrvärme i Sverige har förändrats genom åren och sedan 2000 har priset i genomsnitt ökat med 2,4 %. I figur 13 visas den procentuella prisutvecklingen för fjärrvärmepriset som är en sammanställning av data från Nils Holgersson rapporten [66].
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 1
2 3 4 5
Prisutveckling[%]
Prisutveckling för fjärrvärme
Figur 13:Procentuell prisutveckling per år av fjärrvärmepriset i Sverige mellan 2000-2020, sammanställt av data från Nils Holgersson rapporten [66].
Prisutvecklingen för VA-avgifter i Sverige har förändrats genom åren och har sedan 2000 ökat med genomsnitt 2,8 %. I figur 14 finns en sammanställning av den procentuella prisutvecklingen med data från Nils Holgersson rapporten [66].
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 1
2 3 4
Prisutveckling[%]
Prisutveckling för VA-avgifter
Figur 14:Procentuell prisutveckling per år av VA-avgifter i Sverige mellan 2000-2020, sammanställt av data från Nils Holgersson rapporten [66].
3.9 Miljönytta med spillvattenåtervinning
Vid en investering i en produkt som leder till minskad energianvändning kan det vara intressant att göra en bedömning av energivinsten. Detta för att kunna motivera de resursuppoffringar som krävs av naturen vid investeringar av nya produkter [67]. Genom att undersöka hur mycket CO2- ekvivalenter som släpps ut i samband med produktion och under produktens livscykel kan detta jämföras med hur mycket CO2-ekvivalenter som kan besparas genom minskad energiförbrukning när produkten är i drift. Detta gör det möjligt att analysera om nyttan med den installerade pro- dukten blir lönsam ur ett miljöperspektiv [68]. Genom att jämföra utsläpp av CO2-ekvivalenter för produktion och drift blir det möjligt att beräkna den miljömässiga återbetalningstiden och mil- jönyttan för installerad produkt [69].
3.9.1 Miljöpåverkan fjärrvärme- och elproduktion
I referensbyggnaden levereras fjärrvärme från Skellefteå Kraft. Fjärrvärmen som levereras består av 21 % återvunnen energi från industrier, 68 % förnyelsebara energikällor, 2 % fossila källor och 10 % övrigt [70, 71], vilket visas i ett cirkeldiagram i figur 15. Detta genererar ett utsläpp av 55 g CO2-e/kWh vid produktion och transport i samband med tillverkning av fjärrvärmen [71].
Återvunnen energi
21%
Förnybart
68%
Övrigt 10%
Fossilt 2%
Figur 15:Cirkeldiagrammet visar fördelning av energikällor i produktion av fjärrvärme för fjärrvärmenätet i centrala Skellefteå levererat av Skellefteå Kraft [71].
Till fastigheten levereras svensk medelel med ett utsläpp av ungefär 37 g CO2-ekvivalenter/kWh [72].
3.9.2 Förenklad LCA av värmeväxlare Ekoflow
Tillverkare av Ekoflow har låtit en livscykelanalys (LCA) utfärdas för deras värmeväxlare. I en sammanställning av LCA från tillverkaren så framgår följande. LCA är genomförd för en Ekoflow 6:14 och omfattar materialproduktion samt råvaruutvinning, transport till produktionsanlägg- ning, transport till tillverkare av värmeväxlare från Ekoflow, tillverkning, transport till användare, installation, användning, nedmontering och avfallshantering (kemikalier vid produktion har inte tagits med på grund av databrist). Enligt LCA undersökningen så är de totala växthusgasutsläp- pen under 50 år (livscykeln) 3,9 ton CO2-ekvivalenter utan materialåtervinning. Om hänsyn tas till materialåtervinning så blir utsläppen 2,4 ton CO2-ekvivalenter under livscykeln. I figur 16 visas en fördelning för utsläpp av CO2-ekvivalenter under produktens hela livscykel.
Transport till användare 1 % Användning 9 %
Tillverkning 0%
Material 88% Installation 0 %Transport till tillverkning 2%
Nedmontering 0%
Figur 16:Cirkeldiagrammet visar procentuell fördelning av utsläpp för växthusgaser för Ekoflow 6:14 livscykel.
4 Teori
Termodynamikens första huvudsats beskriver att energi varken kan skapas eller förstöras utan endast byta form. Termodynamikens andra huvudsats beskriver att värme överförs från ett varmt medium till ett kallare medium [73]. Detta utgör grundprincipen för att ta tillvara på energin i spillvatten.
4.1 Energi
Den energi som krävs för att höja temperaturen i vatten eller som frigörs genom att sänka tempe- raturen i vatten går att beräkna enligt [74]
Q= ρ·cp·V·∆T
3600 [Wh/år], (1)
där ρ är vattnets densitet på 1000 kg/m3 [10], cp är vattnets specifika värmekapacitet på 4180 J/kg°C [10], V är volymen [m3] och∆T är temperaturdifferensen på utgående och inkommande vatten/spillvatten [°C].
När spillvattnet når det lokala VA-nätet får det inte ha en temperatur som underskrider tempe- raturen på inkommande vatten [75]. Så beräkningar av det potentiella energiinnehållet kommer göras i hänsyn med att avloppsvattnets lägsta temperatur ej får underskrida inkommande vattens temperatur [3].
4.2 Värmeväxling
Med antagande om en välisolerad värmeväxlare, så att ingen värmeöverföring med omgivningen sker, är det med en motströmsvärmeväxlare i princip möjligt att uppnå en total värmeöverföring mellan två fluider [73]. Vilket illustreras i figur 17.
Figur 17:En illustration av värmeöverföringen i en motströmsvärmeväxlare, inspirerad av [76].
Med antaganden om att ingen värmeväxling med omgivningen sker så ger termodynamikens första och andra huvudsats att värmeöverföringen från den varma fluiden är lika stor som vär- meöverföringen till den kalla fluiden [73]. Detta kan beräknas enligt
Qkall= mkall·cp,kall(Tkall,ut−Tkall,in)
3600 = mvarm·cp,varm(Tvarm,in−Tvarm,ut)
3600 =Qvarm[Wh/år], (2)
där mkalloch mvarmär massan [kg], cp,kalloch cp,varmär vattnets specifika värmekapacitet [J/kg°C], Tkall,inoch Tvarm,inär inloppstemperaturerna [°C] och Tkall,utoch Tvarm,utär utloppstemperaturerna [°C] i värmeväxlaren. Värmeväxlarens maximala värmeöverföring anges av
Qmax = (m·cp)min· (Tvarm,in−Tkall,in)
3600 [Wh/år], (3)
där(m·cp)min är produkten av den minsta specifika värmekapaciteten och massflödet för den varma eller kalla fluiden [73]. Effektiviteten från värmeväxlaren kan således beräknas enligt
e= Q
Qmax. (4)
Genom att sätta in ekvation (2) och (3) i ekvation (4) så erhålls temperaturverkningsgraden
e= Tkall,ut−Tkall,in
Tvarm,in−Tkall,in. (5)
Temperaturverkningsgraden ger en indikation om hur mycket energi som går att återvinna ur spillvattnet. Detta eftersom att en värmeväxlare oftast har en inställelsetid innan systemet är i jämnvikt och ekvation (4) speglar de förhållanden som råder när processen är i jämnvikt. Ekvatio- nen tar ingen hänsyn till att systemet oftast behöver en inställelsetid för att hamna i jämnvikt.
4.3 Värmefaktor
För att beräkna effektiviteten som en värmepump har så beräknas värmefaktorn som även kallas COP-värde enligt
COP= Q1
E , (6)
där E är mängden energi som värmepumpen drivs av [Wh/år]. Q1 är den totala värmemängd som värmepumpen levererar [Wh/år] och beskrivs enligt
Q1=Q2+E [Wh/år], (7)
där Q2är den lagrade värmemängden i värmekällan [Wh/år] beskrivet i ekvation (1) [52].
4.4 Paybacktid
Paybacktiden är en metod för att se hur lång tid det tar innan en investering har återbetalat sig [67, 76]. Paybacktiden [76] beräknas enligt
T= G
a [år], (8)
där G är grundinvesteringen och a är det årliga intäktsöverskottet.
4.5 Kostnadsanalys med annuitetsmetoden
Annuitetsmetoden kan användas för att jämföra olika investeringar över sin livslängd och gör det möjligt att jämföra investeringar med olika lång livslängd. Med annuitetsmetoden beräknas en årlig snittvinst baserad på intäkter och utgifter under investeringens livslängd med hänsyn till kalkylräntan [76]. Annuiteten beräknas enligt
A= r
1− (1+r)−n · (N−G) [kr/år], (9)
där r är kalkylränta, n är investeringens ekonomiska livslängd och N är nuvärdet av intäktsöver- skottet [76]. Om annuiteten A är större än noll så är investeringen lönsam. Vid jämförelse av olika investeringar så är det den annuitet som har högsta positiva annuitetsvärde som är den mest lön- samma investeringen under investeringens livslängd [76].
4.6 LCA-analys
Den miljömässiga återbetalningstiden (MÅT) är en jämförelse mellan den klimatmässiga påver- kan från utvinning av råvarumaterial till dess att produkten rivs och återvinns med den minsk- ning som installationen av produkten har i driftskedet [69]. Den miljömässiga återbetalningstiden beräknas enligt
MÅT= |∆ utsläpp från vaggan till graven|
|∆ klimatprestanda under drift per år| [år]. (10)
För att beräkna den miljömässiga avkastningen för en investering (MAI) som jämför livslängden L för en produkt och den miljömässiga återbetalningstiden i ekvation (10) [69] används följande ekvation
MAI= L
MÅT. (11)
Om MAI får ett beräknat värde högre än ett så bidrar investeringen till en positiv åtgärd utifrån ett miljöperspektiv [69].
5 Metod
I följande avsnitt går att läsa om tillvägagångsätt i genomförd beräkningsstudie av energipoten- tialen i spillvattnet, beräkning av olika värmeväxlares besparingspotential, kostnadsanalys samt miljömässig analys.
5.1 Beräkningsstudie
Tillvägagångssättet vid beräkningar av energiinnehåll i spillvatten, gråvatten och duschvatten samt beräkningar av potentiell återvinning med värmeväxlare beskrivs nedan.
5.1.1 Energipotentialen i spillvatten, gråvatten och duschvatten
Med en spillvattentemperatur på 25,8°C, gråvattentemperatur på 29,1°C, duschspillvattentempe- ratur på 33,7°C och tappkallvattens inkommande temperatur på 10°C beräknades med ekvation (1) den energi som finns tillgänglig i respektive energikälla ut. Med ekvation (1) beräknades även behovet av energi som krävs för att värma upp inkommande tappvatten till tappvarmvatten med en temperatur på 60°C.
5.1.2 Värmeväxlare för duschspillvatten
I tabell 1 går att utläsa att ungefär 39 % av det vatten som används i flerfamiljshus går till dusch och bad. Med aktuell tappvattenförbrukning, medeltemperaturen på duschspillvatten från tabell 2 och inkommande vattens temperatur beräknades med ekvationerna (2)–(5) hur många wattim- mar vardera värmeväxlare potentiellt kan återvinna.
5.1.3 Värmeväxlare för gråvatten
I tabell 1 går att utläsa att ungefär 78 % av allt spillvatten är gråvatten. Med aktuell tappvatten- förbrukning, medeltemperaturen på gråvatten från tabell 2 och inkommande vattens temperatur beräknades med ekvationerna (2)–(5) hur många wattimmar vardera värmeväxlare potentiellt kan återvinna.
5.1.4 Värmeväxlare för spillvatten
Med antagande om att total mängd vattenförbrukning blir till spillvatten användes tappvattenför- brukningen från figur 2, medeltemperaturen på spillvatten från tabell 2 och inkommande vattens temperatur för att med ekvationerna (2)–(5) beräkna hur många wattimmar vardera värmeväxlare potentiellt kan återvinna.
5.1.5 Värmepumpslösningar
För Evertherms systemlösning så beräknades potentiell återvinning genom att kombinera ekva- tion (1), (6) och (7)
Q1= ρ·cp·V·∆T
3600 + δ·cp·V· ρT
3600· (COP−1) [Wh/år]. (12)
Med spillvattnets temperatur från tabell 2, förbrukad vattenmängd, specifika värmekapaciteten och COP-värdet så kunde total återvunnen energi med Evertherms system beräknas.
5.2 Kostnadsanalys
I en undersökning om ekonomisk lönsamhet och vilken produkt som har störst ekonomisk lön- samhet under sin livslängd beräknades paybacktid samt annuiteten.
5.2.1 Paybacktid
För var återvinningslösning beräknades återbetalningstiden med ekvation (8). Värden för grun- dinvesteringskostnader enligt offerter och intäktsöverskott enligt besparing av energi och vatten- förbrukning. Priserna för el är 0,7 kr/kWh, fjärrvärme 0,59 kr/kWh och vatten 29,6 kr/m3, pri- serna som är angivna exklusive moms är aktuella för referensbyggnaden och tillhandahållna av HSB. Priserna inkluderar även överföringsavgifter och skatter. Dessa beräkningar har upprepats för respektive installation.
5.2.2 Annuitetsmetoden
Vid beräkning av annuiteten användes ekvation (9) med nuvärdet för intäktsöverskottet, en kal- kylränta på 6 %, grundinvesteringskostnader enligt offerter och intäktsöverskott enligt besparing av energi och vattenförbrukning med elpriser, fjärrvärmepriser och VA-avgifter som nämns ovan och ökar enligt uppgifter nämnt tidigare. Detta utfördes för var produkt med aktuell indata.
5.3 Miljöbedömning ur ett livscykelperspektiv
För att undersöka minskad miljöpåverkan beräknades minskat CO2-ekvivalens utsläpp ut för var- je installerad produkt. För Ekoflowen beräknades även MÅT och MAI med ekvation (10) och (11) med aktuell indata.
5.4 Förutsättningar för installationerna i byggnaden
Med hjälp av ritningar, installatörer samt återförsäljare undersöktes vad som krävs av byggnaden för att möjliggöra installation av respektive produkt. I samband med detta togs även kostnader för anpassning av byggnaden samt installationer fram. Ritprogrammet Autodesk AutoCAD Plant 3D användes för att sammanställa flödesscheman för var installation.
6 Resultat
Med förstudie, ritningar av byggnaden samt teori kunde det olika installationerna planeras och följande beräknas. En sammanfattning av data för alla produkter finns sammanställt i en tabell 21 i bilaga A.
6.1 Kostnader vid installation och anpassning av byggnad
Förutsättningar för att anpassa byggnaden så att det är möjligt att återvinna spillvatten ser olika ut för de olika produkterna. Nedan går att läsa om vad som krävs för ombyggnation för att möj- liggöra respektive installation och utgifter i samband med installationerna.
Avloppssystem
En sambyggnad av avloppssystemen så att avloppsvattnet från de båda huskropparna lämnar fastigheten i samma punkt. Denna ombyggnation krävs för att möjliggöra installation av system- lösningar från Evertherm, Spuab och Ekoflow. Ombyggnation av avloppet innebär att de båda avloppssystemen i respektive byggnad byggs om så att de lämnar fastigheten i anslutning till un- dercentralen. Denna ombyggnation skulle kräva ungefär 50 m avloppsrör med en diameter på 150 mm. Installation av detta kostar ungefär 228 kr/m avloppsrör och tar ungefär 10 h för en instal- latör att installera [58]. I tabell 10 visas resultatet av kostnader i samband med en sambyggnad av de båda avloppssystemen.
Tabell 10:Sammanställning av kostnader i samband med ombyggnation av avloppssystemen.
Materialkostnader Installationskostnader
11 400 kr 5 400 kr
Shower Reheat
Alla lägenheter måste kompletteras med ett duschkar för att duschvärmeväxlare från Shower Re- heat skall kunna installeras. Att installera ett duschkar samt en värmeväxlare tar ungefär 1 h och en installatör kostar 185 kr/h exklusive moms, plus ett omkostnadspålägg på 292 % på arbetslön enligt Wikells sektionsfakta-VVS 19/20 [58]. Utgifter i samband med installation visas i tabell 11.
Ett flödesschema för duschvärmeväxlaren finns i figur 18.
Tabell 11:Sammanställning av kostnader i samband med installation av Shower Reheat.
Duschkar Installationskostnader 175 754 kr 36 200 kr
Figur 18:Flödesschema för duschvärmeväxlare.
Duschvärmeväxlare från Ekologiska byggvaruhus
För att denna produkt skall kunna installeras krävs ett inköp av duschkar. Installation av dusch- kar och värmeväxlare tar ungefär 1 h för en installatör och kostar 185 kr/h exklusive moms med ett omkostnadspålägg på arbetslön på 292 % [58]. I tabell 12 visas kostnader för installation och anpassning för duschvärmeväxlaren från Ekologiska byggvaruhus. Flödesschema för installation av duschvärmeväxlare visas i figur 18.
Tabell 12:Sammanställning av kostnader i samband med installation av duschvärmeväxlare från Ekologiska byggvaru- hus.
Duschkar Installationskostnader 175 754 kr 36 200 kr
Spuab
För undersökt byggnad kommer en värmeväxlare från Spuab att vara 6 m lång och för att möj- liggöra installationen krävs en vägg som är lika lång. Om värmeväxlaren installeras ovan mark så krävs inget markarbete i samband med installation. I samråd med installationsföretaget As- semblin beräknas installationen ta ungefär 5 h á 700 kr. I tabell 13 finns en sammanställning av kostnader i samband med installationen. Enklare flödesschema för installation av Spuab-tekniken finns i figur 19, för ett mer ingående flödesschema där anslutning till byggnaden visas i bilaga B.
Tabell 13:Sammanställning av kostnader i samband med installation av Spuabs värmeväxlare.
Installationskostnader 3 500 kr
Figur 19:Flödesschema för Spuabs och Ekoflows värmeväxlare.
Renewability
I undersökt fastighet finns sex stycken avloppsstammar, tre i vardera huskropp. I varje avlopps- stam är en lägenhet ansluten på respektive våningsplan. Eftersom värmeväxlaren endast klarar av tappvattenflöde för fyra lägenheter kommer den behöva installeras enligt flödesschema i figur 20, på vart fjärde våningsplan. Den första värmeväxlaren måste på grund av utrymmesskäl installe- ras i avloppsstammen mellan våningsplan ett och två. För avloppsstammen som visas i figuren kommer tre stycken värmeväxlare att installeras, allt avloppsvatten kan passera alla värmeväxla- re. I samråd med Assemblin kommer installation av värmeväxlarna att ta ungefär 30 h och kosta 21 000 kr. På de våningsplan som värmeväxlarna skall installeras måste badrummens yt- och täts- kikt i närhet till rörschakt göras om för att möjliggöra installationen. Med tips från återförsäljare på Finja finns möjlighet att endast byta ut yt- och tätskikt runt om rörschakten. Detta skulle innebära att ungefär 2,5 m2yta behöver bytas. Denna åtgärd kostar 1976 kr/m2och priset inkluderar nya yt- och tätskikt, arbetstimmar och material. I samband med installationen är det viktigt att en lucka installeras vid var värmeväxlare för att det ska vara möjligt att upptäcka läckage. För att levere- ra det förvärmda tappvattnet till respektive lägenhet kan det befintliga tappkallvattensystemet i byggnaderna användas. En komplettering för framledning av tappkallvatten till respektive vär- meväxlare krävs. Pris för material och installation varierar mellan 661,61-792,33 kr/m för rör med dimensionerna 28-35 mm [58]. Utifrån ritningar uppskattas att de behövs ungefär 42 m rör med dimensionen 35 mm och 96 m av rör med dimensionen 28 mm. En sammanställning av kostnader i samband med installation av värmeväxlare från Renewabitily finns i tabell 14. För referensbygg- nad behövs det totalt 15 värmeväxlare.
Tabell 14:Sammanställning av kostnader i samband med installation av Orbital Systems.
Badrumsrenovering Installationskostnader Omdragning av tappvattenrör
74 100 kr 21 000 kr 90 500 kr
Orbital Systems
Orbital System kräver inbyggnad i vägg och golv vilket i undersökt byggnad kräver ombygg- nation i badrummet. I genomsnitt kostar det 1 976 kr/m2vilket inkluderar rivning av befintligt badrum, nya tätskikt och ytskikt samt arbetstimmar [77]. Det är möjligt att endast byta yt- och täts- kikt i installationsområdet och det uppskattas att vara ungefär 6 m2stort. Installationen av Orbital System beräknas ta 5 h/dusch och en installatör kostar 185 kr/h med ett omkostnadspålägg för arbetskostnaden på 292 % [58]. Ett flödesschema för installation av systemet i badrummet visas i figur 18. Kostnader i samband med installation visas i tabell 15.
Tabell 15:Sammanställning av kostnader i samband med installation av Orbital Systems.
Badrumsrenovering Installationskostnader
794 352 kr 181 000 kr
Ekoflow
I följande projekt har en Ekoflow utan lagringsmöjligheter och värmepump undersökts. Ekoflow 6:20 som passar undersökt byggnad kommer att vara 6 m lång, för installationen av värmeväxla- ren krävs en vägg som är 6 m. Ekoflowen skall monteras lättillgänglig för service och en stor fördel är om Ekoflowen kan monteras vid eller i undercentralen där närhet till inkommande vatten och utgående spillvatten finns. Installationskostnader ingår i priset angivet i tabell 7. Flödesschema för installation av Ekoflowen finns i figur 19. För ett mer ingående flödesschema där installation i byggnadens befintliga system framgår finns i bilaga B.
Evertherm
Förberedelse för installation av Evertherms system är markarbete och gjutning av platta för place- ring av utomhustankar, framdragning av ledningar och så vidare beskrivet i stycket om Evertherm ovan. Inomhus krävs platsutrymme för värmepump och ackumulatortank, helst i undercentral el- ler i nära anslutning till undercentralen. Leverantören uppger att kostnader för förarbetet ungefär brukar ligga mellan 100 000-300 000 kr. Sammanställning av kostnader i samband med installation ses i tabell 10 och ett enklare flödesschema för Evertherm visas i figur 21. Ett flödesschema som visar hur systemlösningen kopplas mot fastighetens befintliga vatten- och värmesystem visas i bilaga C. I tabell 16 visas kostnader i samband med installation av Evertherm.
Tabell 16:Sammanställning av kostnader i samband med installation av Evertherm.
Installationskostnader 100 000–300 000 kr
Figur 21:Flödesschema för Evertherm.
6.2 Energipotentialen i spillvatten samt energi för uppvärmning av tappvatten
I figur 22 nedan redovisas varje energikälla och dess potentiella energiinnehåll i MWh/år samt hur mycket energi som krävs för att värma upp inkommande tappvatten i MWh/år.
