Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se Fakulteten för teknik- och naturvetenskap Avdelningen för energi-, miljö- och byggteknik
Johan Tillman
En energistudie över Fengerfors bruk
Kartläggning och förslag till effektiviseringsåtgärder
hos byggnader av industrikaraktär
An energy study of Fengerfors mill
Mapping and proposal of efficiency measures in buildings of industrial
nature
Examensarbete 22,5 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik
Termin: VT -11
Sammanfattning
I slutet av 1900-talet började man inse konsekvenserna av att förlita sig på icke förnyelsebara energikällor för uppvärmning. Priserna steg i höjden och man valde ofta att byta ut sin oljepanna mot el vilket för tillfället var en lönsam lösning. I och med prisstegringen som skett det senaste decenniet har betydelsen av energieffektivt byggande framstått som allt mer tydlig. Detta innebär att många äldre byggnader ofta kan ha mycket dåliga värmeisolerade egenskaper eftersom både energipriser och byggnormer var lågt ställda vid tiden för uppförning.
Uppdragsgivarna till arbetet är en ideell ekonomisk förening vid namn Not Quite med sin bas i Fengerfors bruk, Åmål. De har framfört att de har problem med för höga uppvärmningskostnader och svårigheter med att hålla önskad inneluftstemperatur i deras lokaler. Objekten som beskrivs är av
industrikaraktär och har tidigare tillhört ett pappersbruk som lades ned år 1979. Byggnaderna är numera kulturminnesmärkta.
Syftet med arbetet har varit att åt uppdragsgivarna utföra en kartläggning där energianvändning och potentiella effektiviseringsåtgärder relaterat till de
aktuella objekten analyseras. Detta för att uppnå tillfredsställande uppvärmning samtidigt som energiförbrukningen om möjligt kan reduceras.
Kostnadseffektiviteten för de specifikt föreslagna åtgärdsalternativen skall också analyseras.
Målet med arbetet har varit att med hjälp av simulering utföra kartläggningen där energianvändning, dimensionerande värmeeffektbehov samt potentiella effektiviseringsåtgärder analyseras. Åtgärderna bestod i huvudsak av
tilläggsisolering, tätning, intermittent drift, värmeåtervinning samt byte av fönster. Kostnadseffektiviteten analyserades genom en livscykelkostnadskalkyl utifrån värmekällorna ved, pellets och luft-/luftvärmepump.
Slutsatsen är att föreslagna åtgärdsalternativ reducerar energiförbrukningen i avsevärd omfattning samtidigt som en tillfredsställande inneluftstemperatur erhålls. Objekten har efter att effektiviseringsåtgärderna tillämpats uppnått en energiförbrukning likvärdig med dagens normalbyggnader i Sverige.
Abstract
In the late 1900s society began to realize the consequences of relying on non-renewable energy sources for heating. Prices were increasing heavily and because of that people often chose to replace their oil boiler with electricity which at the time was a viable option. With the rise in prices that has occurred over the past decade the importance of energy efficient measures seemed increasingly clear. With that said many older buildings often have poor thermal properties since both energy prices and construction standards were
considerably lower back then.
The client Not Quite is a nonprofit association based in Fengerfors mill, Åmål. They have expressed dissatisfaction over increasing heating costs combined with problems getting the desired thermal comfort related to their premises. The objects described are of industrial nature and has previously been used to a paper mill which closed in 1979. The buildings are now classified as part of a cultural monument.
The intention of this dissertation has been to map the energy use and to evaluate appropriate efficiency measures related to the specific objects. This includes getting the demanded thermal comfort in combination with possibly reducing the energy consumption. The cost-effectiveness of proposed
efficiency measures will also be evaluated.
The objective of this dissertation has been to through the use of simulation identify the energy consumption, required thermal input and potential energy efficiency measures. The efficiency measures consisted mainly of adding insulation, air sealing, intermittent heating, heat recovery and window
Nomenklatur
η Verkningsgrad, [%] ρ Densitet, [kg∙m-3] τ Tidskonstant, [s] h Värmeövergångstal, [W∙m-2∙K-1] i Inflation, [%] k Värmeledningsförmåga, [W∙m-1∙K-1] m Massa, [kg] n Antal år p Prisstegring, [%] r Ränta, [%] t Tid, [s] A Area, [m2] E Elförbrukning, [kWh] L Tjocklek, [m] N Nuvärde, [kr] P Dagens penningvärde, [kr] Q Värmeenergi, [J] R Värmeövergångsmotstånd, [K∙m2∙W-1] T Temperatur, [°C] U Värmegenomgångskoefficient, [W∙m-2∙K-1] V Volym, [m3]Aom Total area av klimatskärmens omslutande byggnadsdelar, [m2]
As Mantelarea, [m2]
Atemp Total golvarea av alla utrymmen som begränsas av klimatskärmens
insida och är ämnade att värmas till mer än 10°C, [m2]
Bi Biot-tal, [1]
Cp Specifik värmekapacitet, [J∙kg-1∙K-1]
COP Värmefaktor, [1]
Fo Fouriertal, [1]
FTX Från-/tilluftsvärmeväxling
LCC Livscykelkostnad (Life Cycle Cost)
Pa Pascal, [kg∙m-1∙s-2]
Ts Ytans temperatur, [°C]
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Problemformulering ... 1 1.3 Energikartläggning ... 2 1.4 Energieffektiviseringsåtgärder ... 2 1.5 Syfte ... 3 1.6 Mål ... 3 1.7 Allmän information ... 4 2 Teori ... 5 2.1 Värmetransport ... 52.2 Värmetröghet och temperaturfördelning ... 6
2.3 Livscykelkostnad (LCC) ... 7
3 Metod ... 8
3.1 Beskrivning av simuleringsmodell ... 8
3.2 Objektens byggnadsstruktur ... 9
3.2.1 Café... 9
3.2.2 Keramik- och bänkverkstad ... 10
3.2.3 Snickeri ... 11
3.3 Analyserade energieffektiviseringsåtgärder ... 12
3.3.1 Partiell uppvärmning ... 12
3.3.2 Tilläggsisolering ... 13
3.3.4 Förbättring av ytterdörrar ... 14
3.3.5 Värmeåtervinning (FTX-system) ... 14
3.3.6 Intermittent uppvärmning ... 14
3.3.7 Värmesystem ... 15
3.4 Kartläggning av åtgärdsalternativ ... 16
3.5 Indata och beräkningsunderlag ... 17
3.5.1 Konvektiva värmeövergångsmotstånd ... 17
3.5.2 Luftläckage och ventilation ... 17
3.5.3 Inventarier ... 18
3.5.4 Intern- och personvärme ... 18
3.5.5 Termisk komfort ... 18 3.5.6 Temperaturer ... 19 3.5.7 Solinstrålning ... 19 3.5.8 Specifik energianvändning ... 19 3.6 Konstruktion av simuleringsmodell ... 20 3.6.1 Diskretisering av byggnadselement ... 22 3.6.2 Cellkonfiguration ... 22
3.6.3 Biot-tal och uniform temperaturfördelning ... 23
3.6.4 Korrigering av medeltemperatur med Fourier-tal ... 24
3.7 Känslighetsanalys av simuleringsmodell ... 26
3.8 Nuvärde och LCC-kalkyl ... 26
4 Resultat ... 28
4.1 Åtgärdsalternativ ... 28
4.2 Livscykelkostnad ... 31
4.2.1 Åtgärdsalternativ 3 för café ... 31
4.2.2 Åtgärdsalternativ 5 för keramik- och bänkverkstad ... 32
1 av 43
1 Inledning
1.1 Bakgrund
I slutet av 1900-talet började man inse konsekvenserna av att förlita sig på icke förnyelsebara energikällor till byggnaders uppvärmning. I och med 70-talets oljekris valde många att byta ut sina oljepannor mot el vilket för tillfället var en effektiv lösning. Med tanke på prisstegringen av el som skett under det senaste decenniet har dock betydelsen av ett energieffektivt byggande istället framstått som allt mer tydlig. Man började därför att på bred front att arbeta fram olika åtgärder för att minska energianvändningen relaterat till byggnadernas
uppvärmning.
Detta innebär att många äldre byggnader ofta kan ha mycket dåliga
värmeisolerade egenskaper eftersom både energipriser och byggnormer var lågt ställda vid tiden för uppförning (Mattsson 2010).
1.2 Problemformulering
Not Quite är en ideell ekonomisk förening som består av ett nätverk för professionella konstnärer, konsthantverkare och formgivare med sin bas i Fengerfors bruk, Åmål. Not Quite har framfört att de har stora problem med att hålla önskad inneluftstemperatur och att uppvärmningskostnaderna skenar under vintern. Lokalernas grundkonstruktion har inte förändrats nämnvärt sedan den tidigare verksamheten upphörde i form av papperstillverkning. Bruket lades ned år 1979 och byggnaderna blev senare även
kulturminnesmärkta vilket bland annat försvårar för ombyggnationer som påverkar ytterfasadens utseende.
2 av 43
1.3 Energikartläggning
För att kunna göra en analys av energianvändningen kan man antingen tillämpa statiska eller dynamiska beräkningar. Statiska beräkningar kräver generellt sett mindre tid men det blir då istället svårt att implementera oregelbundna eller dynamiska effekter över tiden.
För båda typer av beräkningar krävs framförallt ingående analys av byggnadens geometri och materialkonstruktion. Dessa indata används sedan för att utföra de statiska eller dynamiska beräkningar som behövs för att kartlägga
byggnadernas energianvändning. Resultatet kan bland annat användas till att visa hur uppvärmningskostnaderna utvecklas över tiden eller vilka
effektiviseringsåtgärder som är mest relevanta för ett specifikt objekt.
1.4 Energieffektiviseringsåtgärder
Några exempel på åtgärdsalternativ som kan minska energiförbrukningen för uppvärmning är tilläggsisolering, tätning av luftläckage, värmeåtervinning i ventilationen, intermittent drift, partiell uppvärmning, samt byte av fönster. Genom att tilläggsisolera minskar man klimatskärmens benägenhet att släppa igenom värme vilket kan liknas vid en termos som är en konstruktion där mycket lite värme har benägenhet att tränga ut. Tilläggsisolering kan ske på många olika sätt och görs oftast på fasadens yttersida eller genom
vindbjälklagsisolering. Hos sten- och tegelbyggnader förväntas liknande värmeisolerande egenskaper som hos en normalvilla genom att tilläggsisolera med omkring 15-20 cm mineralull runt klimatskalet (Kommunförbundet Stockholms Län (KSL) 2009, Thormark).
Ett högt luftläckage hos en byggnad leder till ett högt luftutbyte vilket resulterar i ett större värmebehov. Luftläckaget är generellt sett större hos äldre byggnader jämfört med de strängare krav som ställs i dagens byggnormer (Sandberg, Sikander 2004).
3 av 43
Tillämpning av intermittent drift av uppvärmningssystemet förklaras genom att närvaroreglera uppvärmningen av inneluften till efterfrågad temperatur. Genom att stänga av eller reglera värmesystemet för en lägre temperatur när lokalerna ej används förmodas energiförbrukningen att reduceras (M.S. Kim et al. 2010, Budaiwi 2003).
Vid partiell uppvärmning reduceras de uppvärmda ytorna till mindre moduler i en byggnad. Modulernas klimatskärm omfattar då en mindre area vilket i sin tur leder till lägre transmissionsförluster.
Vid byte till bättre fönster ökar man dess isolerande förmåga varför mindre värme leds bort. Nyare fönster är ofta förseglade och innehåller antingen luft eller ädelgas där det senare leder till en än högre isolerande effekt (Boverket 2010). Detta är något som är speciellt viktigt för byggnader med stora fönsterytor.
1.5 Syfte
Detta arbete utförs åt uppdragsgivaren Not Quite för att kartlägga de aktuella objektens energianvändning samt potentialen för tillämpning av olika
effektiviseringsåtgärder. Syftet med arbetet är också att analysera kostnadseffektiviteten för de specifikt föreslagna åtgärdsalternativen.
1.6 Mål
Målet med arbetet är att med hjälp av simuleringsmodeller upprätta en
kartläggning för de berörda byggnadernas energianvändning, dimensionerande värmeeffektbehov samt potentiella effektiviseringsåtgärder. Detta samtidigt som en tillfredsställande uppvärmning erhålls. I kartläggningen kommer värmekällorna ved-, pelletspanna och luft-/luftvärmepump analyseras i kombination med följande åtgärder:
4 av 43
En LCC-kalkyl med nuvärdesanalys kommer att genomföras för att utvärdera lönsamheten hos föreslagna effektiviseringsåtgärder.
För att verifiera modellens tillförlitlighet kommer en känslighetsanalys utföras relaterat till luftläckage och diskretisering av byggnadselement.
1.7 Allmän information
Denna rapport utförs som ett examensarbete på den treåriga
högskoleingenjörsutbildningen i energi- och miljöteknik vid Karlstads
universitet. Handledare är Tommy Jansson och examinator är Roger Renström, båda aktiva under fakulteten för teknik- och naturvetenskap, Karlstads
universitet.
5 av 43
2 Teori
2.1 Värmetransport
De termodynamiska samband som tillämpas i simuleringsmodellen för att beskriva värmetransport är ledning och konvektion. Dessa brukar tillsammans kallas för transmission.
Ledning kan beskrivas med den värmeenergi som transporteras genom ett fast material, proportionellt mot tvärsnittsarean, temperaturskillnaden och omvänt proportionellt mot dess tjocklek enligt ekvation 1. För att en värmetransport skall äga rum krävs alltid en temperaturdifferens och värmeflödet sker hela tiden ifrån den varma till den kalla delen av materialet. Ytterligare en faktor som påverkar värmeflödet är förmågan att leda värme vilket benämns som
bokstaven k och definieras enligt SI-enheter till W·m-1·K-1.
𝑄𝑄̇ = 𝑘𝑘 ∙𝐴𝐴 ∙ ∆𝑇𝑇𝐿𝐿
(1) Vid konvektiv värmeöverföring sker värmetransporten mellan en fluid och ett fast material, proportionellt mot mantelarean och temperaturskillnaden enligt ekvation 2. Till skillnad från ledning som uppstår hos fasta material drivs värmeenergitransporten här med hjälp av densitetsskillnader hos det
närliggande fluidet. Även här gäller förutsättningen att en temperaturdifferens är förestående men fysikaliskt skiljer sig de olika sambanden åt. Konvektion bygger på att en varm fluid erhåller lägre densitet och tenderar att stiga medan en kall fluid får motsatt effekt och sjunker. På så vis byts hela tiden
gränsskiktets närliggande fluid ut vilket får värmeöverföringen att kontinuerligt fortsätta till ett jämviktsläge uppstår. Den faktor som beskriver luftrörelserna vid konvektiv värmeöverföring kallas för värmeövergångstal och benämns som bokstaven h och definieras enligt SI-enheter till W·m-2·°K-1.
𝑄𝑄̇ = ℎ ∙ 𝐴𝐴𝑠𝑠(𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇∞)
(2) Beräkningsmässigt sett är konvektion relativt komplext och
6 av 43
använder man sig ofta av värmemotstånd som ersätter värmeledningsförmågan eller värmeövergångstalet i ekvationerna 1-2 ovan. I samband med konvektion blir värmemotståndet en rak invertering av värmeövergångstalet. Vid utförande av energideklarationer har Boverket slagit fast konstanta värden på
värmeövergångsmotstånd som skall gälla vid beräkning av konvektiv
värmeöverföring hos byggnader (Boverket 2009). Olika värden tillämpas på ut- respektive insida av klimatskärmen samt mot golv, vägg och tak.
2.2 Värmetröghet och temperaturfördelning
För att korrekt beskriva olika uppvärmnings- och nedkylningsförlopp hos ett byggnadselement behöver man ta hänsyn till materialets
värmespridningsförmåga samt antagande om uniform temperaturfördelning. För att utröna om man kan anta uniform temperaturfördelning relaterat till tjockleken hos ett specifikt material i använder man sig av något som kallas för Biot-tal. Detta är definierat enligt ekvation 3 och beror av värmeövergångstalet, den karakteristiska längden, samt ledningsförmågan hos materialet.
𝐵𝐵𝐵𝐵 =ℎ ∙ 𝐿𝐿𝑘𝑘 𝑐𝑐
(3) Den karakteristiska längden definieras vanligtvis till materialets volym dividerat på dess mantelarea, se ekvation 4.
𝐿𝐿𝑐𝑐 =𝐴𝐴𝑉𝑉 𝑠𝑠
(4) Ett Biot-tal som är under eller lika med 0,1 påvisar att osäkerheter kan
försummas helt i resultatet på grund av antagande om uniform
7 av 43
Vill man komma tillrätta med dynamiken hos ett materials
värmelagringsförmåga kan man använda sig av Fourier-tal. Dessa beräknas enligt ekvation 5 utifrån materialets karakteristiska längd,
värmespridningsförmåga samt observerat tidsförlopp. Definitionen kan närmast beskrivas som förhållandet mellan värmeledningsförmåga och
värmelagringsförmåga för respektive byggnadselement. 𝐹𝐹𝐹𝐹 =𝛼𝛼 ∙ 𝑡𝑡
𝐿𝐿𝑐𝑐2
(5)
2.3 Livscykelkostnad (LCC)
En LCC-kalkyl syftar till att utvärdera lönsamheten av olika
energieffektiviseringsåtgärder ur ett längre perspektiv än endast ett par år. Med hänsyn till historik och framtidsanalys om hur parametrar som inflation, ränta och prisstegring kommer att utveckla sig kan man kalkylera nuvärdet för åtgärdsalternativets hela livscykel (Widerström).
8 av 43
3 Metod
3.1 Beskrivning av simuleringsmodell
Datorsimuleringen kommer att ske i Mathworks Simulink som är uppbyggt runt ett grafiskt gränssnitt med en mängd olika block som representerar de
matematiska formler som tillämpas (MathWorks 2009).
3.1.1 Simuleringens omfattning
För att tillämpa de termodynamiska samband som beskriver energiflödena hos objekten behöver de fysiska byggnadselementen beskrivas med hjälp av
energibalanser. En ingående beskrivning kring metodiken för detta finns
redogjord under rubrik 3.6.
Följande fysiska element som kommer att modelleras med hänsyn till energilager: • Dörrar • Golv • Inventarier • Tak • Väggar • Inomhusluft
Fönster beskrivs med relevant värmegenomgångsmotstånd samt transmissionskoefficient men ses inte som ett energilager.
Följande energiflöden kommer att modelleras för att beskriva byggnadens värmebehov:
• Transmission
• Luftläckage
• Intern- och personvärme
• Ventilation
9 av 43
Regel- och hörnproblematik kommer att bortses ifrån då detta anses kräva alltför mycket tid gentemot den nytta det tillför.
Egenskaperna för inomhusluften antas vara konstanta med en densitet på 1,2 kg·m-3 och en specifik värmekapacitet på 1 kJ·kg-1·K-1.
3.2 Objektens byggnadsstruktur
I figur 1-3 visas ritningar över byggnadsstrukturen hos de olika objekten som
skall studeras i modellen. Under rubrik B.1.1 i bilagor återfinnes mer detaljerad
information som beskriver objektens materialstruktur.
3.2.1 Café
Caféet är en enplansbyggnad i tegel med golvplatta av betong. Innertaket är isolerat med mineralullsskivor och gammalt träspån i vindbjälkslaget. Vid köksdelen har ytterväggarna en tilläggskonstruktion av lättbetong och puts på dess insida. Köksdelen är kopplad till det befintliga vattenburna värmesystemet.
10 av 43 3.2.2 Keramik- och bänkverkstad
Keramik- och bänkverkstaden består av två skilda lokaler där den västra delen är konstruerad i två plan. Längst till höger i den östra delen ligger ved- och pelletspannan som är kopplade till det befintliga värmesystemet. Väggarna är utav samma konstruktion som hos caféet samt även golvplattan bortsett från den västra delen som består av trä. Samtliga våningsplan är kopplade till det vattenburna systemet.
11 av 43 3.2.3 Snickeri
Snickeriet är en annan typ av byggnad då den är konstruerad i trä bortsett från golvplattan som är gjord utav betong. Inuti väggarna finns gammal mineralull och ovanför vindbjälkslaget har gammalt träspån tillämpats i samma omfattning som hos caféet. Något som inte visas i ritningen är att innertaket inte går ända upp till nocken utan slutar 2,3 m upp från golvet. Mot öster finns ett kallförråd som inte är ämnat att värmas upp. Hela lokalen är i övrigt kopplad till det vattenburna systemet.
12 av 43
3.3 Analyserade energieffektiviseringsåtgärder
För att komma tillrätta med de stora uppvärmningskostnader som föreligger hos objekten kommer följande byggnadstekniska och reglermässiga
effektiviseringsåtgärder att analyseras.
3.3.1 Partiell uppvärmning
Moduluppdelningens utseende vid partiell uppvärmning redogörs för i figur 4-5.
13 av 43
Figur 5, visar en ritning över snickeriet. Röda linjer representerar partiell uppvärmning.
3.3.2 Tilläggsisolering
Tilläggsisolering av klimatskalet kommer att ske med 14,5 cm mineralull
tillsammans med partiell uppvärmning. Vid åtgärden tillämpas även plastfolie på konstruktionens varma sida för att erhålla en tät konstruktion enligt gällande byggnormer. Denna åtgärd förhindrar även fuktproblem i konstruktionen. Ovanför taket vid snickeriet och caféet finns gammal lösisolering i form av träspån. Vid tilläggsisolering ovan tak krävs en tät konstruktion för att undvika fuktproblem.
I vindbjälkslaget hos snickeriet kommer 30 cm lös mineralull att läggas till ovanpå det gamla träspånet eftersom insidan av takkonstruktionen tätas i och med den partiella uppvärmningen.
Utseendet på caféets insida har inte tillåts ändras och tätheten i
14 av 43 3.3.3 Tillägg av fönster
Eftersom byggnaderna är kulturminnesmärkta får originalfönstren ej monteras bort. Beräkningarna kommer att ske utifrån olika kombinationer av fönstren som presenteras i tabell 1 tillsammans med tillfredsställande tätning runtom listerna (Boverket 2010). De nya fönstren skall placeras innanför de gamla.
Tabell 1, visar tekniska egenskaper för olika typer av fönster.
Fönster Antal glas Förseglade Gas Transmission [%] U-värde [W∙m-2∙K-1]
Original 2 Nej Luft 76 2,9
Typ 1 2 Ja Luft 76 2,1
Typ 2 3 Ja Argon 67 1,4
3.3.4 Förbättring av ytterdörrar
De dörrar som finns installerade i grundutförandet har dålig isoleringsförmåga och stort luftläckage runtom listerna. Ytterdörrarna tilläggsisoleras därför med 4,5 cm mineralullsplattor för att uppnå ett totalt U-värde av 1,2 W·m-2·K-1 samt
tätas runtom listerna för att uppnå ett tillfredsställande luftläckage.
3.3.5 Värmeåtervinning (FTX-system)
Vid tillämpning av värmeåtervinning ur ventilationen kommer en värmeåtervinningsgrad på 80 % att antas.
Detta värde anses ligga inom ramen för vad som är rimligt att anta hos normala FTX-system (Energimyndigheten 2006).
3.3.6 Intermittent uppvärmning
15 av 43
Den intermittenta driften konstrueras för att följa de kontorstider som redovisas i tabell 2. Till skillnad från andra studier kommer inte den dimensionerande värmeeffekten att höjas för att snabbt komma upp i eftersträvad inneluftstemperatur (M.S. Kim et al. 2010, Budaiwi 2003). Lösningen ligger istället i att tidigarelägga tidpunkten för initiering av uppvärmningscyklerna genom regleroptimering i simuleringsmodellen.
Tabell 2, visar de kontorstider som den intermittenta driften kommer att konstrueras för.
Månader Maj-augusti September-april Café Varje dag kl.8-18 Helger kl.8-18
Keramik-/bänkverkstad Vardagar kl.8-17 Vardagar kl.8-17
Snickeriet Vardagar kl.8-17 Vardagar kl.8-17
3.3.7 Värmesystem
Caféet är det enda objektet där tillämpning av alla olika värmesystem kommer att ske eftersom det befintliga vattenburna systemet kommer att hållas intakt. Hos de övriga objekten tillämpas endast luft-/luftvärmepump på grund av att installationsarbetet underlättas avsevärt. Detta på grund av att man slipper ny rördragning som annars skulle behövas för ett vattenburet system.
Vedkaminen antas ha en verkningsgrad på 55 % och vedbränslet en fukthalt på 20 %, samt askhalt 1 %. Pelletspannan antas ha en verkningsgrad på 80 % för vilken bränslekostnaden beräknas utifrån. Luft/luftvärmepumpens COP antas variera linjärt från 1,5-4 mellan temperaturerna -20 till +7.
I tabell 3 redovisas vilket pris som kostnaden för en kilowattimme motsvarar för respektive värmekälla.
Tabell 3, visar pris per förbrukad kWh från respektive värmekälla.
Värmekälla Pris [kr per kWh] Pellets 0,7
Ved 0,6
El & Luft/luftvärmepump 1,3
16 av 43
3.4 Kartläggning av åtgärdsalternativ
Grundåtgärderna och värmesystemen som anges nedan appliceras på respektive objekt tillsammans med de specificerade åtgärdsalternativen som visas i tabell 4 längre ned.
Café:
Grundåtgärder: Förbättring av ytterdörrar.
Analyserade värmesystem: Ved, pellets, luft-/luftvärmepump.
Keramik-/bänkverkstad:
Grundåtgärder: Förbättring av ytterdörrar, partiell uppvärmning, tilläggsisolering av klimatskärmens insida.
Analyserade värmesystem: Luft-/luftvärmepump.
Snickeri:
Grundåtgärder: Förbättring av ytterdörrar, partiell uppvärmning, tilläggsisolering av klimatskärmens insida och ovan tak.
Analyserade värmesystem: Luft-/luftvärmepump.
Tabell 4, visar de olika åtgärdsalternativ som ingår i kartläggningen för respektive objekt.
Objekt Alt.1 Alt.2 Alt.3 Alt.4 Alt.5 Café Tillägg av fönster, U=2,1 W∙K-2∙m-1. Tillägg av fönster, U=1,4 W∙K-2∙m-1. Alt. 1 + intermittent drift. - -
Keramik-/bänkverkstad Endast grundåtgärder. Tillägg av fönster, U=2,1 W∙K-2∙m-1. Tillägg av fönster, U=1,4 W∙K-2∙m-1. FTX-system, η=80 %. Alt. 2 + intermittent drift. Snickeri Endast
17 av 43
3.5 Indata och beräkningsunderlag
Vid beräkningar som ligger till grund för bland annat energideklarationer finns en rad standardiserade värden som Boverket ställt upp. Även andra indata som materialegenskaper och ventilationskrav finns att hämta inom denna
information. Dessa värden kommer att fungera som underlag för de
beräkningar som görs i arbetet tillsammans med annan vanligt förekommande standard.
3.5.1 Konvektiva värmeövergångsmotstånd
Vid konvektiv värmeöverföring mot klimatskärmens in- och utsida finns olika värden relaterat till värmeövergångsmotstånd mot golv, väggar och tak. I tabell 5 redovisas de värden som kommer att tillämpas för respektive byggnadsdel i modellen.
Vidare finns det även ett värmemotstånd tillämpat för ventilerat vindsutrymme inklusive yttertak, exklusive yttre värmeövergångsmotstånd där normvärdet i Sverige ligger på 0,2 m2∙K-1 (Swedisol).
Tabell 5, visar inre och yttre värmemotstånd för konvektiv värmeöverföring enligt Boverkets riktlinjer.
Byggnadsdel Insida, Rsi
[K∙m2∙W-1] Utsida, Rse [K∙m2∙W-1] Ventilerad vind [K∙m2∙W-1]
Golv 0,17 0,04 -
Tak 0,10 0,04 0,2
Väggar 0,13 0,04 -
3.5.2 Luftläckage och ventilation
För uppskattning om självdragsventilation används 0,25 l∙s-1∙m-2 golvyta. Detta
tillämpas på alla byggnaders grundutförande och i samtliga fall för caféet. Beräkningar kring ventilationsbehov för övriga byggnader sker enligt Boverkets
rekommendationer om minst 0,35 l∙s-1∙m-2 golvyta och tillämpas på samtliga
objekt i kombination med partiell uppvärmning (Boverket 2010).
Möjlighet till provtryckning för bestämmande av luftläckage är inte möjligt och infiltrationen bygger därför på lägsta rekommendationer gällande luftläckage från Boverket (Boverket 2008). Dessa värden gäller vid provtryckning med 50 Pa tryckdifferens, varefter det egentliga värdet beräknas utifrån en
18 av 43
Utifrån riktlinjerna kommer objekten som kombineras med partiell
uppvärmning att baseras på ett luftläckage om max 0,6 l·s-1 per Aom. För
industrilokaler ligger detta värde på 1,2 l·s-1 men i och med att de aktuella
objekten anses ha högre infiltration än nyprojekterade byggnader sätts värdet till 2 l·s-1.
3.5.3 Inventarier
För att få med inventariernas påverkan av dynamiken i modellen läggs ett energilager till omgivet av inneluften utifrån respektive objekts material- och byggnadsstruktur.
För att om möjligt skapa någon form av enhetlighet kommer träföremål med en storlek motsvarande arean av lokalens golv multiplicerat med en tjocklek på 2,5 cm läggas till i modellen. Detta motsvarar relativt bra alla de hyllor och
arbetsbänkar som finns i lokalerna. Ytterligare föremål utöver detta läggs till separat utifrån dess individuella egenskaper.
3.5.4 Intern- och personvärme
20 % av diskmaskinen, 30 % av spisen och 53 % av ugnens effekt antas kunna tillgodoräknas som internvärme hos caféet. En person antas alstra 100 W när den befinner sig i lokalen och tillskott från inomhusbelysning uppskattas till 10
W·m-2 golvarea (Boverket 2009).
För mer information angående drift- och öppettider se B.1.4 under bilaga 1.
3.5.5 Termisk komfort
18 °C kommer att vara den lägsta temperatur som inneluften värms till vid simuleringarna. Enligt Boverket är detta det lägsta kravet som ställs gällande inneluftstemperaturen för definitionen av termisk komfort (Boverket 2008). Denna temperatur kommer även vara den dimensionerande
19 av 43 3.5.6 Temperaturer
Temperaturen hos uteluften baseras på mätningar i Karlstad timvis under ett helt år (Jansson 2010). Mätdatainformationen anses ligga inom relativt normala temperaturvariationer och kommer inte att normalårskorrigeras.
Marktemperaturen under huskroppen antas variera mellan 5-15 °C under året enligt en sinusfunktion med fördröjning på pi (Alvarez 2006).
3.5.7 Solinstrålning
Modellen för solinstrålning baseras på soldata för Karlstad från år 2001 där effekt beräknas per kvadratmeter vertikal fönsterarea mot respektive
väderstreck (Jansson, Forsberg 2010). Grunddatainformationen tillhandahåller
egentligen W·m-2 horisontell yta men omvandlas i modellen med hjälp av
geometri för att ge effekt per vertikal yta.
Värmetillförseln från solinstrålningen antas vara fördelad 70 % mot golv, 15 % mot innervägg och 15 % mot inventarier.
Värmeöverföring vid solstrålning mot ytterfasad kommer att bortses ifrån.
3.5.8 Specifik energianvändning
20 av 43
3.6 Konstruktion av simuleringsmodell
När man definierar energibalanserna som ligger till grund för
simuleringsmodellen utgår man från de matematiska samband som beskriver respektive byggnadselement, se ekvation 6-9. Uppförandet av energibalanser
kommer att ske enligt metoden CCC vilket tydliggörs under rubriken 3.6.2.
En systemgräns sätts upp innan energibalansen utförs för att kunna avgränsa komplexiteten och omfattningen på arbetet. Vid uppförande av energibalansen löses den tillståndsvariabel ut som skall variera över tiden. Tillståndsvariabeln representeras av att den beskriver något som vi vill analysera samtidigt som den går att verifiera genom mätning. I detta fall kommer storheten temperatur att användas eftersom den är lätt att relatera till samt enkel att mäta. När
energibalansen är utförd kan tillståndsvariabeln beräknas över tiden genom stegvis integration. Därmed får vi en bild över hur den specifika temperaturen kommer att utvecklas över tiden.
I ekvation 9 beskrivs temperaturförändringen över tiden i en homogent
konstruerad yttervägg. Systemgränsen har dragits kring den omslutande in- och utomhusluften. Energiflödena som påverkar temperaturen i väggen är
avgränsade till de två parenteser som beskrivs i ekvationen.
Nedan följer ett exempel över hur energibalansen för en homogent konstruerad vägg kan utföras:
Förändring i värmeenergi beror på värmetillskott subtraherat med värmeförluster multiplicerat med förändring i tiden.
𝑑𝑑𝑄𝑄 = �𝑄𝑄̇𝐵𝐵𝑖𝑖 − 𝑄𝑄̇𝑢𝑢𝑡𝑡�𝑑𝑑𝑡𝑡
(6)
Båda led divideras med förändring i tiden och värmeenergin varierar nu över tiden.
𝑑𝑑𝑄𝑄
𝑑𝑑𝑡𝑡 = �𝑄𝑄̇𝐵𝐵𝑖𝑖 − 𝑄𝑄̇𝑢𝑢𝑡𝑡�
(7)
En systemgräns upprättas och energibalansen definieras.
21 av 43
Tillståndsvariabeln bryts ut och energibalansen slutförs.
𝑑𝑑𝑇𝑇𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑡𝑡 = 𝐴𝐴𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 ∙ 𝐶𝐶𝐶𝐶𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 ⎝ ⎛�𝑇𝑇𝐵𝐵𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑅𝑅𝑠𝑠𝐵𝐵 −𝑅𝑅𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔2 � − �𝑇𝑇𝑅𝑅𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑢𝑢𝑡𝑡𝑖𝑖 𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 2 − 𝑅𝑅𝑠𝑠𝑖𝑖 � ⎠ ⎞ (9) För att simulera ovan nämnda förlopp behöver energibalansen konstrueras rent matematiskt i simuleringsmodellen. I Simulink görs detta genom att koppla samman de olika block som representerar respektive matematiska formler. Exempel på hur simuleringsmodellen över energibalansen 9 kan se ut efter att ha konstruerats i programmet Simulink finns åskådliggjord i figur 6.
22 av 43 3.6.1 Diskretisering av byggnadselement
För att korrekt beskriva värmetransporten genom ett byggnadselement behöver materialskiktet delas upp i mindre segment för att noggrannheten i
beräkningarna skall bli tillfredsställande (Hensen, Nakhi 1994). Denna metod kallas för diskretisering (Akander 2000).
Materialskikten har på grund av detta delats in fyra segment á 2,5 cm mot den sida som möter inneluften och i större relevanta segment mot uteluften, se figur 7. Motiveringen till detta är att en ökad noggrannhet krävs för att modellen korrekt skall behandla snabba temperaturväxlingar i inneluften.
Figur 7, visar en illustration som beskriver segmenteringen av en 24 cm tjock homogen vägg.
3.6.2 Cellkonfiguration
Segmenten hos de olika byggnadselementen kommer att konstrueras efter principen CCC, central capacity cell, där temperaturen beräknas utifrån cellens
geometriska mitt i horisontalled (Akander 2000). I figur 8 åskådliggörs även metoden ECC där man som jämförelse utgår ifrån cellens ränder.
Valet av metod kan motiveras med att man principiellt sett utgår ifrån
23 av 43
Figur 8, visar en schematisk bild av de två typerna för cellkonfiguration CCC och ECC.
3.6.3 Biot-tal och uniform temperaturfördelning
I tabell 6-7 redovisas de beräknade Biot-talen för alla specifika materialsegment som påverkas av konvektion. Biot-talet visar hur förlåtande det är att beskriva randsegmenten enbart genom dess medeltemperatur. Värden som ligger under 0,1 påvisar att det är okej att göra detta antagande medan värden över påvisar att en mer komplexitet behöver tillämpas. Detta görs genom noggrannare diskretisering av byggnadselementen.
I tabellerna kan vi utläsa att det är långt ifrån rimligt att anta uniform
24 av 43
Tabell 6, visar beräkning av Biot-talet utifrån Boverkets riktlinjer om konvektiva värmemotstånd för insidan av klimatskalet.
Material Tjocklek, L [m] Lc, L/2 [m] [K∙mRsi 2∙W-1] [W∙Kh -1∙m-2] [W∙Kk -1∙m-1] Biot [1] Betongtak 0,025 0,0125 0,10 10 1,7 0,07 Betongvägg 0,025 0,0125 0,13 7,7 1,7 0,06 Fönsterglas 0,002 0,001 0,13 7,7 2,9 0,00 Gipstak 0,013 0,0065 0,10 10 0,22 0,30 Gipsvägg 0,013 0,0065 0,13 7,7 0,22 0,23
Mineralull ovan tak 0,025 0,0125 0,17 5,9 0,04 1,84
Tegelvägg 0,025 0,0125 0,13 7,7 0,6 0,16
Trägolv 0,02 0,01 0,17 5,9 0,14 0,42
Träspån ovan tak 0,05 0,025 0,17 5,9 0,08 1,84
Trätak 0,02 0,01 0,10 10 0,14 0,71
Trävägg 0,02 0,01 0,13 7,7 0,14 0,55
Tabell 7, visar beräkning av Biot-talet utifrån Boverkets riktlinjer om konvektiva värmemotstånd för utsidan av klimatskalet.
Material Tjocklek, L
[m] Lc, L/2 [m] [K∙mRsi 2∙W-1] [W∙Kh -1∙m-2] [W∙Kk -1∙m-1] Biot [1]
Tegelvägg 0,025 0,0125 0,04 25 0,6 0,52
Träpanel 0,02 0,01 0,04 25 0,14 1,79
3.6.4 Korrigering av medeltemperatur med Fourier-tal
Enligt tidigare genomförda studier vid Karlstads universitet kan Fourier-tal användas för att justera beräkningarna av medeltemperaturen hos olika materialsegment vid simulering i Simulink (Forsberg 2010). Eftersom det är medeltemperaturen i varje segment vi utgår ifrån i modellen är detta en vital del för att bättre kunna beskriva värmetransporten.
För att beräkna ett specifikt Fourier-tal används grundekvationen för
densamma med undantag för att man ersätter tiden t i ekvationen mot
tidskonstanten τ för ett linjärt dynamiskt system av första ordningen.
Tidskonstanten definieras till när medeltemperaturen för objektet nått 1-(1/e) av det simulerade temperatursteget mellan ränderna. Vidare tillämpas hälften av tjockleken hos den karakteristiska längden eftersom man utgår ifrån segmentets medeltemperatur som ligger i dess mitt.
25 av 43
I programmet skapar man en 2D-modell av tvärsnittet hos segmentet i
horisontalled med en väggarea på 1 m2 vilken simuleras över tiden.
Temperaturdifferensen mellan ränderna har i detta fall satts till 2 °C. När man nu tagit fram tidskonstanten för varje specifikt objekt kan även Fourier-talen beräknas varefter de tillämpas i Simulink. Tillvägagångssättet åskådliggörs i ekvation 10 där den teoretiska värmekapaciteten för varje segments energibalans multipliceras med Fourier-talet.
𝑑𝑑𝑇𝑇𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑡𝑡 = 𝐴𝐴𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑚𝑚𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 ∙ 𝐶𝐶𝐶𝐶𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 ∙ 𝑭𝑭𝑭𝑭 ⎝ ⎛�𝑇𝑇𝐵𝐵𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 𝑅𝑅𝑠𝑠𝐵𝐵 −𝑅𝑅𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔2 � − �𝑇𝑇𝑅𝑅𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 − 𝑇𝑇𝑢𝑢𝑡𝑡𝑖𝑖 𝑣𝑣ä𝑔𝑔𝑔𝑔 2 − 𝑅𝑅𝑠𝑠𝑖𝑖 � ⎠ ⎞ (10) I figur 9 visas en jämförelse mellan den mer fysikaliskt korrekta simuleringen av medeltemperaturen i COMSOL jämfört med en likadan konfiguration simulerat i Simulink med och utan tillämpning av det beräknade Fourier-talet. Det
specifika segmentet består av ett 12 cm tjockt väggelement av tegel med en temperaturdifferens på 2 °C mellan ränderna och initialtemperaturen 20 °C.
26 av 43
3.7 Känslighetsanalys av simuleringsmodell
För att få en uppskattning kring simuleringsmodellens robusthet gentemot parametrarna som ligger till grund för simuleringsmodellen genomförs en känslighetsanalys.
Luftläckaget jämförs mot beräknat normvärde och diskretiseringen jämförs mot segmentering á minst 2,5 cm.
Grundmodellen för snickeriet har valts ut för att utvärdera tillämpningarna enligt följande steg:
• Luftläckage: halvering och dubblering av beräknat normvärdet.
• Diskretisering av byggnadselement: 5 cm segmentering, respektive endast ett
segment per materialskikt, jämfört med 2,5 cm segmentering.
3.8 Nuvärde och LCC-kalkyl
Nuvärdet ligger till grund för beräkningarna av lönsamhetsutvecklingen i
LCC-kalkylen och tillämpas enligt ekvation 11. Där motsvarar P dagens
penningvärde, n antal år, i inflation, p prisstegring och r ränta.
𝑁𝑁 = 𝑃𝑃 ∙ (1 + 𝐵𝐵)𝑖𝑖 ∙ (1 + 𝐶𝐶)𝑖𝑖 (1 + 𝑟𝑟)𝑖𝑖
(11) Kostnader för arbete och transport inte tas med vid beräkningarna vilket leder till att nuvärdet kommer att motsvara den kostnad som transport och
installationsarbete inte får överskrida för att investeringen skall vara lönsam. LCC-kalkylen kommer att baseras på föreslagna åtgärdsalternativ utifrån en tidsperiod på 30 år enligt de ekonomiska framtidsscenarier som redovisas i tabell 8-10 (Widerström).
Tabell 8, visar underlag för beräkning av nuvärdet enligt historiska data från de senaste 15 åren.
Fall 1 Besparingar [%] Reinvesteringar [%] Restvärde [%]
Inflation 2 2 2
Prisstegring 3 0 0
27 av 43
Tabell 9, visar underlag för beräkning av nuvärde enligt negativ ekonomisk och resursmässig utveckling.
Fall 2 Besparingar [%] Reinvesteringar [%] Restvärde [%]
Inflation 6 6 6
Prisstegring 5 0 0
Ränta 2 2 2
Tabell 10, visar underlag för beräkning av nuvärde enligt gynnsam ekonomisk och resursmässig utveckling.
Fall 3 Besparingar [%] Reinvesteringar [%] Restvärde [%]
Inflation 1 1 1
Prisstegring 0 0 0
Ränta 6 6 6
I LCC-kalkylen kommer ved att vara den energikälla som tillämpas i
referensalternativet för beräkning av nuvärdet. Prisstegring kommer inte att tas i beaktning vad gäller reinvestering av material utan kopplas endast till
energikostnader.
3.8.1 Prisunderlag för LCC
För de tekniska åtgärder som tillämpas tas endast kostnader för utrustning, materiel och underhåll med i beräkningarna. Kostnader för transport- och initialt installationsarbete kommer ej att analyseras. Restvärde för FTX-system och luft-/luftvärmepump antas minska linjärt med dess livslängd.
Mer detaljerad information angående kostnader, restvärde och livslängd finns
28 av 43
4 Resultat
4.1 Åtgärdsalternativ
I figur 10-12 och tabell 12-14 nedan redovisas resultaten från kartläggningen av objektens grundutförande och olika åtgärdsalternativ.
Figur 10, visar förändring i energiförbrukning för ett helt år mellan grundutförandet och åtgärdsalternativen för caféet.
Tabell 12, visar en jämförelse mellan resultaten från kartläggningen av caféets grundutförande och olika åtgärdsalternativ.
Kartläggningssteg för caféet Dimensionerande
värmeeffekt [W] Energiförbrukning [kWh per år] energiförbrukning Specifik [kWh per Atemp] Grundutförande 14 600 (0 %) 63 500 (0 %) 698 Åtgärdsalternativ 1 12 400 (- 15 %) 57 300 (- 10 %) 630 Åtgärdsalternativ 2 12 100 (- 17 %) 56 800 (- 11 %) 624 Åtgärdsalternativ 3 12 400 (- 15 %) 18 200 (- 71 %) 200 0 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000 Grundutförande Åtgärdsalternativ 1 Åtgärdsalternativ 2 Åtgärdsalternativ 3
29 av 43
Figur 11, visar förändring i energiförbrukning för ett helt år mellan grundutförandet och åtgärdsalternativen för keramik- och bänkverkstaden.
Tabell 13, visar en jämförelse mellan kartläggningen av keramik- och bänkverkstadens grundutförande samt olika åtgärdsalternativ.
Kartläggningssteg för
30 av 43
Figur 12, visar förändring i energiförbrukning för ett helt år mellan grundutförandet och åtgärdsalternativen för snickeriet.
Tabell 14, visar en jämförelse mellan resultaten från kartläggningen av snickeriets grundutförande och olika åtgärdsalternativ.
Kartläggningssteg för
snickeriet Dimensionerande värmeeffekt [W] Energiförbrukning [kWh per år] energiförbrukning Specifik [kWh per Atemp] Grundutförande 28 800 (0 %) 157 900 (0 %) 598 Åtgärdsalternativ 1 10 200 (- 65 %) 54 500 (- 65 %) 436 Åtgärdsalternativ 2 9 300 (- 68 %) 52 400 (- 67 %) 419 Åtgärdsalternativ 3 9 100 (- 68 %) 52 300 (- 67 %) 418 Åtgärdsalternativ 4 9 400 (- 67 %) 47 200 (- 70 %) 378 Åtgärdsalternativ 5 9 300 (- 68 %) 22 600 (- 86 %) 181 0 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000 120 000 140 000 160 000 180 000
31 av 43
4.2 Livscykelkostnad
Här redovisas resultaten av nuvärdesanalysen i LCC-kalkylen från respektive objekts föreslagna åtgärdsalternativ. Beräkningsperioden ligger i samtliga fall på 30 år och transport- samt arbetskostnader för installation har inte tagits med i beräkningarna.
4.2.1 Åtgärdsalternativ 3 för café
I figur 13 och tabell 15 nedan analyseras olika värmekällor eftersom det vattenburna systemet kommer att hållas intakt då ingen invändig
tilläggsisolering tillämpas i caféet.
Figur 13, visar jämförelse av nuvärdet mellan olika ekonomiska framtidsscenarier och värmekällor för åtgärdsalternativ 3 hos caféet.
Tabell 15, visar hur mycket nuvärdet beräknas till under en 30-årsperiod för åtgärdsalternativ 3 i kombination med olika värmesystem för caféet.
Åtgärdsalternativ 3 för café Historik (Fall 1) Negativ (Fall 2) Positiv (Fall 3) Luft-/luftvärmepump 493 000 kr 2 356 000 kr 179 000 kr Pelletspanna 328 000 kr 1 549 000 kr 125 000 kr Vedpanna 522 000 kr 2 434 000 kr 202 000 kr 0 500 000 1 000 000 1 500 000 2 000 000 2 500 000 3 000 000
Historik (Fall 1) Negativ (Fall 2) Positiv (Fall 3)
Nuvärdesanalys för åtgärdsalternativ 3, café, [kr]
Luft-/luftvärmepump Pelletspanna
32 av 43
4.2.2 Åtgärdsalternativ 5 för keramik- och bänkverkstad
I figur 14 och tabell 16 nedan har endast luft-/luftvärmepump analyserats som värmekälla då det ansetts som mest lämpligt ur installationssynpunkt.
Figur 14, visar jämförelse av nuvärdet mellan olika framtidsscenarier och värmekällan luft-/luftvärmepump för åtgärdsalternativ 5 hos keramik- och bänkverkstaden.
Tabell 16, visar hur mycket nuvärdet beräknas till under en 30-årsperiod för åtgärdsalternativ 5 i kombination luft-/luftvärmepump för keramik- och bänkverkstaden.
Åtgärdsalternativ 5 för keramik- och
bänkverkstad Historik (Fall 1) Negativ (Fall 2) Positiv (Fall 3) Luft-/luftvärmepump 1 699 000 kr 7 620 000 kr 693 000 kr 0 1 000 000 2 000 000 3 000 000 4 000 000 5 000 000 6 000 000 7 000 000 8 000 000 9 000 000
Historik (Fall 1) Negativ (Fall 2) Positiv (Fall 3)
Nuvärdesanalys för åtgärdsalternativ 5, keramik- och bänkverkstad, [kr]
33 av 43 4.2.3 Åtgärdsalternativ 5 för snickeri
I figur 15 och tabell 17 nedan har endast luft-/luftvärmepump analyserats som värmekälla då det ansetts som mest lämpligt ur installationssynpunkt.
Figur 15, visar jämförelse av nuvärdet mellan olika framtidsscenarier och värmekällan luft-/luftvärmepump för åtgärdsalternativ 5 hos snickeriet.
Tabell 17, visar hur mycket nuvärdet beräknas till under en 30-årsperiod för åtgärdsalternativ 5 i kombination luft-/luftvärmepump för snickeriet.
Åtgärdsalternativ 5 för snickeri Historik (Fall 1) Negativ (Fall 2) Positiv (Fall 3) Luft-/luftvärmepump 1 773 000 kr 7 824 000 kr 745 000 kr 0 1 000 000 2 000 000 3 000 000 4 000 000 5 000 000 6 000 000 7 000 000 8 000 000 9 000 000
Historik (Fall 1) Negativ (Fall 2) Positiv (Fall 3)
Nuvärdesanalys för åtgärdsalternativet 5, snickeri [kr]
34 av 43
4.3 Känslighetsanalys
I tabell 18 nedan visas i vilken utsträckning parametrarna luftläckage och val av diskretisering påverkar resultatet vid genomförd simulering.
Tabell 18, visar förändring i det dimensionerande värmeeffektbehovet och energiförbrukning för olika värden av luftläckage och diskretisering av byggnadselement hos snickeriet.
Tillämpning Dimensionerande
värmeeffekt [W] Energiförbrukning [kWh per år] Dubblering av luftläckage 32 100 (+ 11 %) 189 900 (+ 20 %)
Halvering av luftläckage 27 000 (- 6 %) 141 400 (- 10 %)
Ett segment per materialskikt 45 800 (+ 59 %) 217 500 (+ 38 %)
35 av 43
5 Diskussion
5.1 Resultat
Anledningen till valet av föreslagna åtgärdsalternativ finns bland annat i de simuleringar som gjorts under arbetets gång. Till exempel visar de att
treglasfönster endast ger en marginell reduktion av värmebehovet i förhållande till den kostnadsökning som då sker. De visar också att FTX-system inte ger en tillfredsställande energibesparing i förhållande till den kostnadsökning för material och underhåll som de utgör. Med samma resonemang kan man även se hur viktigt det är att tillämpa tilläggsisolering och tätning av klimatskärmen då detta leder till den enskilt största reduktionen i energiförbrukning hos objekten. Även installationstekniska faktorer har tagits i beaktning vid rekommendationer om åtgärdsalternativ. Exempelvis kräver ett vattenburet system i kombination med tilläggsisolering av klimatskärmens insida att de flesta rörsystem samt radiatorer monteras ned och installeras på nytt. I de objekt där partiell uppvärmning är relevant har därför luft-/luftvärmepump föreslagits som uppvärmningsalternativ då de är helt fristående från det övriga värmesystemet. Ytterligare en fördel hos värmepumpen är den enkelhet som erhålls vid styrning och reglering hos de individuella modulerna.
Installationstekniska faktorer kan även appliceras på varför värmeåtervinning inte varit ett relevant åtgärdsalternativ. Ett gemensamt FTX-system för alla olika objekt skulle förmodligen vara den mest kostnadseffektiva lösningen om ventilationen kunde kopplas samman. Eftersom lokalerna inte ligger i
anslutning till varandra och att ventilationssystemet idag är i princip obefintligt kan varken kostnad, utrymme eller tillgänglighet garanteras med hänsyn till detta.
36 av 43
ledningsförmåga vilket ytterligare försvårar värmen från att nå de yttre delarna av väggen.
En iakttagelse angående reduktionen i energianvändning hos caféet är att effekten från tillämpning av den intermittenta driften är mycket större här än hos de övriga objekten. Detta trots att väggarna till drygt hälften består av tegel vilket enligt slutsatsen i föregående stycke borde leda till ett sämre resultat. Förklaringen till detta ligger i de drifttider som tillämpas hos caféet vilka skiljer sig på så sätt att det endast är öppet vid helger under vinterhalvåret vilket minskar energiförbrukningen väsentligt.
En ytterligare kommentar till energiförbrukningen i relation till dess storlek är att den inte behöver överensstämma med hur det sett ut i verkligheten tidigare. Eftersom uppvärmningscyklerna som tillämpas i modellen kanske inte stämmer överens med hur driftmönstren sett ut tidigare finns risken att resultatet
bedöms som högre än normalt. Dock bör jämförelsen mellan olika alternativ inte påverkas i någon större omfattning om inte driftmönstren hos den
intermittenta driften skulle avvika betydligt. Avseendet påverkar i viss mån även LCC-kalkylen då en lägre energibesparing skulle leda till ett lägre nuvärde om övriga parametrar hålls stationära.
Om man ser till de stora skillnaderna hos nuvärdena i LCC-kalkylen skiljer sig den negativa ekonomiska utvecklingen väldigt mycket från de övriga två. En del av förklaringen till detta ligger i den stora energibesparing som görs vilket i kombination med höga värden på inflation och prisstegring leder till ett starkt exponentiellt växande nuvärde. Om man skall ge en indikation på vilket av de ekonomiska fallen man kan förvänta sig är förmodligen den historiska eller negativa utvecklingen de mest troliga. Detta på grund av att en ekonomisk tillväxt i dagsläget är väldigt beroende av tillgången på fossila bränslen. För tillfället finns heller ingen heltäckande lösning på hur man skall bli helt oberoende av fossila bränslen inom överskådlig framtid.
37 av 43
5.2 Känslighetsanalys
Från resultatet av känslighetsanalysen kan vi utläsa att luftläckaget spelar en stor roll för hur den totala energiförbrukningen kommer att utveckla sig vid körning av simuleringsmodellen. Eftersom denna parameter är svår att klarlägga exakt för de olika objekten kommer den att ha en signifikativ påverkan på hur tillförlitligt resultatet kommer att vara.
Vilka konsekvenser detta medför exemplifieras med att den jämförande
energiförbrukningen som ligger till grund för bland annat LCC-kalkylen inte ger ett rättvist resultat. Dock har de uppskattade värdena för luftläckage beräknats i underkant vilket medför att effekten av luftläckaget i högre grad kommer att underskattas än överdrivas.
Vid diskretisering av byggnadselementen kan vi tydligt se hur en för grov segmentering blir förödande hos resultatet som då starkt avviker från en mer noggrant utförd sådan. I de resultatbaserande simuleringsmodellerna har segment á 2,5 cm tillämpats vilket kan jämföras med ett av fallen i
känslighetsanalysen där segmentering á 5 cm gav en avvikelse på endast 1 respektive 2 procent.
Anledningen till de stora skillnader som en varierande diskretisering leder till är inte helt lätt att svara på utan mer ingående analys. Ifall diskretiseringen leder till en högre väggtemperatur än i referensalternativet kommer det att leda till ett större värmeeffektbehov och i längden högre energiförbrukning. Med andra ord skulle en för grov diskretisering hypotetiskt sett kunna leda till en växande felmarginal hos väggens totala medeltemperatur om denna teori stämmer. Detta skulle kunna jämföras med den ”meshning” som annars används i olika typer av simuleringsprogram för att höja eller sänka noggrannheten i beräkningarna.
5.3 Felkällor
Intern- och personvärme är något som är statiskt förankrat i de brukar- och öppettider som fastslagits. Vad som sker i verkligheten beror dock mycket på den momentana händelsen varför det inte alltid överensstämmer med
metodangivelsen. Även effekten från intern- och personvärmen kan variera om en omfördelning eller utökning av verksamheten skulle ske. Intern- och
38 av 43
Något som ytterligare skulle kunna påverka energibesparingen hos den
intermittenta driften är det faktum att semester inte tagits med vid konstruering av drifttiderna. Eftersom detta högst troligen är något som kommer att ske kommer resultatet att underskattas om övriga parametrar hålls stationära. Problem med det prisunderlag som används för LCC-kalkylen finns då dessa priser inte alltid är korrigerade enligt den dagliga marknaden. Eftersom prisstegring inte har applicerats på olika material finns det även en risk att kostnaden för reinvestering underskattas vilket i sin tur leder till ett för högt nuvärde.
Om man tittar på vad som händer med inneluften vid tilläggsisolering av klimatskärmen och då ingen värmekälla tillämpas är att den starkt påverkas av marktemperaturen. Eftersom golven hos de olika objekten inte tilläggsisoleras har de andra delarna av klimatskalet ett jämförelsevis lågt genomsnittligt U-värde. Detta gör att kortvariga variationer utomhus inte påverkar inneluften i lika stor utsträckning som marktemperaturen gör. I och med detta är det viktigt att uppskattningen av marktemperaturen blir så korrekt som möjligt vid denna typ av utvärderingar.
Vid analys av Biot-talen för vissa randsegment kan man se hur material som gips och trä kräver en betydligt bättre diskretisering än de 2,5 cm som minst använts i simuleringsmodellerna. Detta innebär att resultaten från
39 av 43
6 Slutsats
Från resultatet kan vi utläsa att samtliga föreslagna åtgärdsalternativ hos
respektive objekt resulterar i en reduktion av energiförbrukningen på mellan 71-89 %, samtidigt som en tillfredsställande inneluftstemperatur erhålls.
Vad gäller den specifika energianvändningen ligger objektens grundutförande drygt tre gånger över genomsnittsvärdet för Sveriges lokalbestånd av byggnader. Efter att åtgärdsalternativen tillämpats hamnar samtliga objekt under detta genomsnittsvärde.
Resultatet från LCC-kalkylen visar att nuvärdet för samtliga föreslagna
40 av 43
7 Vidare arbete
Utveckling av arbetet i rapporten skulle vara att fastställa om diskretiseringen av randsegment för denna typ av simuleringar bör härledas utifrån Biot-tal istället för en generellt ställd storlek. I en sådan utredning bör även relevant
diskretisering för andra typer av material kunna fastställas. Tillsammans höjer detta tillförlitligheten i simuleringsmodellerna samt underlättar arbetsgången vid framtida studier.
41 av 43
8 Tackord
Ett tack ges till kontaktpersonerna vid Not Quite som hjälpt till med information, ritningar och visat ett gott tillmötesgående.
42 av 43
Källförteckning
Akander, J. 2000, The ORC Method – Effective Modelling ofThermal Performance of
Multilayer BuildingComponents, Department of Building Sciences Kungliga
Tekniska Högskolan, Stockholm.
Alvarez, H. 2006, Energiteknik, 3rd edn, Studentlitteratur AB, Sverige.
Boverket 2006, Indata för energiberäkningar i kontor och småhus: En sammanställning av brukarrelaterad indata för elanvändning, personvärme och tappvarmvatten, Indata för
energiberäkningar, Tekniska byggregler, Sverige.
Boverket 2008, Del 2, Boverkets byggregler, 6 Hygien, hälsa och miljö, Regelsamling
för byggande, BBR 2008 edn, Tekniska byggregler, Sverige. Boverket 2009, Energihushållning enligt Boverkets byggregler, Bygg- och
konstruktionsregler för energihushållning, Tekniska byggregler, Sverige.
Boverket 2010, Regelsamling för byggande, BBR 2008. Supplement februari 2009, 9
Energihushållning, Energihushållning och krav på byggnadens
energianvändning, Tekniska byggregler, Sverige.
Budaiwi, I.M. 2003, AIR CONDITIONING SYSTEM OPERATION
STRATEGIES FOR INTERMITTENT OCCUPANCY BUILDINGS IN A HOT-HUMID CLIMATE, Eighth International IBPSA Conference,
Holland.
Cengel, Y.A. & Turner, R.H. 2005, Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences, 2nd
edn, McGraw-Hill, New York, USA.
COMSOL 2010, COMSOL Multiphysics, 4.1st edn, COMSOL, Sverige.
Energimyndigheten 2006, Eenergimyndighetens teknikupphandlingar - Värme återvinns
i ventilationen, April edn, Energimyndigheten, Sverige.
Forsberg, J. 2010, Dynamisk modellering av en husvägg, Arbetsdokument, Fakulteten
för teknik- och naturvetenskap, Karlstads universitet, Sverige.
Hensen, J.L.M. & Nakhi, A.E. 1994, FOURIER AND BIOT NUMBERS AND
THE ACCURACY OF CONDUCTION MODELLING, University of
Strathclyde Energy Systems Research Unit, 75 Montrose Street, James Weir Bldng GLASGOW G1 1XJ.
Hjalmarsson Nordgren, M. & Olvestrand, M. 2007, En energistudie av Grinstad
43 av 43
Jansson, T. 2010, Temperaturdata, Timvis temperaturdata för året 2001 från
Karlstad, Fakulteten för teknik- och naturvetenskap, Karlstads universitet, Sverige.
Jansson, T. & Forsberg, J. 2010, Solinstrålningsmodell, Modell för solinstrålning till
i Simulink, Fakulteten för teknik- och naturvetenskap, Karlstads universitet, Sverige.
Kommunförbundet Stockholms Län (KSL) 2009, Att tilläggsisolera hus,
Energimyndigheten, Sverige.
M.S. Kim et al. 2010, "Improvement of intermittent central heating system of university building", Energy and Buildings, vol. 42, pp. 83.
MathWorks 2009, Simulink, 7.4th edn, MathWorks, Natick, Massachusetts,
USA.
Mattsson, B. 2010, Energi i bebyggelsen – tekniska egenskaper och beräkningar– resultat från projektet BETSI, Boverket, Sverige.
Sandberg, P.I. & Sikander, E. 2004, Lufttäthetsfrågorna i byggprocessen, SP Sveriges
Provnings- och Forskningsinstitut, Sverige.
Energirådgivningen 2011, Energirådgivningen - Faktablad [Kommunförbundet
Stockholms län]. Tillgänglig:
http://www.energiradgivningen.se/index.php?option=com_content&task =view&id=10&Itemid=53 [4/5/2011].
Statens energimyndighet 2009, Energimyndigheten - Luft/luftvärmepumpar
[Energimyndigheten]. Tillgänglig:
http://energimyndigheten.se/sv/Hushall/Tester/Testresultat/Luftluftvar
mepumpar/ [4/5/2011].
Swedisol , Bilaga A. Beräkning av U-värde enligt standard. [Swedisol]. Tillgänglig:
http://www.swedisol.se/sw887.asp [2/24/2011].
Thormark, C. , Isoleringsmaterial - en översikt [Byggnadsvårdsföreningen].
Tillgänglig:
http://www.byggnadsvard.se/byggnadskultur/isoleringsmaterial-en-översikt [4/18/2011].
Widerström, G. , Energimyndigheten - Beräkna LCC . Tillgänglig:
http://www.energimyndigheten.se/sv/Foretag/Energieffektivisering-i-foretag/Stall-krav-vid-inkop/Livscykelkostnad/Berakna-LCC/
1 av 4 (Bilagor)
Bilagor
Bilaga 1: Indata och beräkningsunderlag (expanderat)
B.1.1 Konstruktionsdetaljer
Tabell 19, visar ett sammandrag av detaljer kring byggnadernas grundstruktur.
Byggnadsdel Café kök Café servering Keramikverkstad Bänkverkstad Snickeri Fasadvägg norr [m2] 9,9 27,5 35 27 28 Fasadvägg söder [m2] 14,9 20 39 31 28 Fasadvägg väst [m2] - 18,5 47,5 - 77 Fasadvägg öst [m2] 15,3 - - 64 89 Fönster norr [m2] 4,9 - 3,8 9,6 - Fönster söder [m2] - 7,4 - 5,8 - Fönster väst [m2] - 2,8 14,2 - 20,5 Fönster öst [m2] 7,3 - - - 7,7 Golvarea [m2] 33 58 69 109 264 Volym [m3] 97 183 429 350 845 Ytterdörrar norr [m2] - - - - 2,2 Ytterdörrar söder [m2] 3,7 - - - - Ytterdörrar väst [m2] - 3,7 3,5 - 9,7 Ytterdörrar öst [m2] - - - 3 2,2
Tabell 20, visar en detaljerad beskrivning av klimatskärmens struktur där 1 motsvarar insidan.
Materialskikt Café kök Café
servering Keramik-verkstad Bänkverkstad Snickeri Fasadvägg 1 [m] 0,2 lättbetong 0,24 tegel 0,24 tegel 0,24 tegel 0,02 trä
Fasadvägg 2 [m] 0,24 tegel - - - 0,145 mineralull
Fasadvägg 3 [m] - - - - 0,02 trä
Fasadvägg 4 [m] - - - - -
Golv 1 [m] 0,15 betong 0,15 betong 0,02 trä 0,15 betong 0,15 betong
Golv 2 [m] - - 0,13 luftspalt - -
Innervägg 1 [m] 0,3 betong 0,3 betong 0,16 betong 0,16 betong 0,02 trä
Innervägg 2 [m] - - - - 0,06 lösspån
Innervägg 3 [m] - - - - 0,02 trä
Tak 1 [m] 0,045 mineralull 0,045 mineralull 0,02 trä 0,02 trä 0,02 trä
Tak 2 [m] 0,045 luftspalt 0,045 luftspalt 0,145 mineralull 0,145 mineralull 0,1 lösspån
Tak 3 [m] 0,02 trä 0,02 trä 0,02 trä 0,02 trä -
Tak 4 [m] 0,1 lösspån 0,1 lösspån - - -
2 av 4 (Bilagor)
B.1.2 Partiell uppvärmning
Tabell 21, visar moduluppdelningen för partiell uppvärmning av de olika lokalerna.
Egenskap Bänkverkstad Keramikverkstad Snickeri Fasadvägg norr [m2] 16 19 25 Fasadvägg söder [m2] 16 23 25 Fasadvägg väst [m2] 64 23 33 Fasadvägg öst [m2] 64 64 39 Fönsteryta norr [m2] 5,8 3,8 0 Fönsteryta söder [m2] 5,8 0 0 Fönsteryta väst [m2] 0 7,7 5,1 Fönsteryta öst [m2] 0 0 7,7 Golv-/takarea [m2] 62 66 125 Luftläckage [m3∙s-1] 0,014 0,016 0,022 Luftvolym [m3] 190 198 370 Ventilationskrav [m3∙s-1] 0,022 0,023 0,044
B.1.3 Luftläckage och ventilationsflöden
Tabell 22, visar lägsta tillåtna luftläckage och ventilationsflöde beräknat enligt Boverkets rekommendationer och studier om självdrag.
Lokal Luftläckage [m3∙s-1] Ventilationsflöde [m3∙s-1]
Café, grundutförande 0,062 0,032 Keramik-/bänkverkstad, grundutförande 0,160 0,062 Snickeri, grundutförande 0,156 0,092 Café, åtgärdsalternativ 1-2 0,062 0,023 Bänkverkstad, åtgärdsalternativ 1-5 0,014 0,022 Keramikverkstad, åtgärdsalternativ 1-5 0,016 0,023 Snickerimodul, åtgärdsalternativ 1-5 0,022 0,044
B.1.4 Intern och personvärme
Antaganden för internvärme i grundutförandet:
Café
3 av 4 (Bilagor)
Diskmaskin: 2300 W ∙ 0,20, två timmar varje dag från kl.13 och 15 under öppettid.
Spis: 2 300 W ∙ 0,30, tre timmar varje dag från kl.8 under öppettid.
Två stycken ugnar: 2 ∙ 1 800 W ∙ 0,53, tre timmar varje dag från kl.8 under öppettid.
Keramik-/bänkverkstad
Belysning bänkverkstad: 1 780 W, kl.8-17 under öppettid året om.
Snickeriet
Belysning: 2 640 W, vardagar året om kl.8-13 och 1 760 W kl.13-17. Antaganden för personvärme i grundutförandet:
Café
Sep - apr: 300 W helger mellan kl.8-18. Maj - aug: 300 W varje dag mellan kl.8-18.
Keramik-/bänkverkstad
Maj - aug: 100 W i keramikverkstad vardagar mellan kl.8-17. Hela året: 200 W i bänkverkstad vardagar mellan kl.8-17.
Snickeriet
Hela året: 300 W vardagar mellan kl.8-13 och 200 W vardagar mellan kl.13-17.
Antaganden för personvärme i åtgärdsalternativen:
Café
Sep - apr: 300 W helger mellan kl.8-18. Maj - aug: 300 W varje dag mellan kl.8-18.
Keramik-/bänkverkstad
Hela året: 100 W i keramikverkstad vardagar mellan kl.8-17 och 200 W i bänkverkstad vardagar mellan kl.8-17.
Snickeriet
