SÅ MYCKET ENERGI KAN VI SPARA KOSTNADSEFFEKTIVT

Per Fahlén

Chalmers tekniska högskola

SÅ MYCKET ENERGI KAN VI SPARA KOSTNADSEFFEKTIVT

- Lite teori och två praktikexempel

med värmepump

OLIKA PERSPEKTIV PÅ BESPARING

Val av energisystem

Yttre miljö Bekvämlighet Ekonomi

Driftsäkerhet

Inre miljö

Information, övervakning, mätning

• Energibesparing

- Köpt, använd eller primär?

• Ekonomisk besparing - Privat/företagsekonomi - Samhällsekonomi:

Regering, IVA

• Tekniska förutsättningar: Temperatur och hjälpeffekt

• EXEMPEL FRÅN PRAKTIKEN 1: Ombyggnad av småhus

2: Ombyggnad av kontorshus

T₁

T₂

Q₁

Q₂

W T₁

T₂

Q₁

Q₂

W

ENERGI I BYGGNADER

Utvinning Förädling Transport

El-kraft Kraftvärme Värme Kyla

Användare

BEHOV Netto energi Köpt energi

Brutto (använd) energi

Varmvatten Värmesystem Kylsystem

Hushåll, apparater, verksamhet, fastighet el.

 Behov = min. användning

 Användning = behov + onödigt

 Netto = användning - återvunnet

 Brutto = netto + förluster

 Köpt = brutto - “gratis energi”

“Gratisenergi”

Energi 1

• Skilj på behov, användning, tillförd och köpt energi!

• Statistiken redovisar bara köpt energi; > 14 TWh saknas för vp

IVA’s Energiframsyn, svensk framtid?

• Halvering av dagens energianvändning till år 2050

• Halvering av köpt energi är lätt redan idag!

Potential för energieffektivisering i småhus (IVA)

0 5 10 15 20 25 30

0 10 20 30 40 50 60

År

Energibehov [MWh/år] ^Apparater

Belysning Ventilation Varmvatten Rumsvärme

Rumsvärme Varmvatten Ventilation Belysning Apparater

Energi 2

KONKURRERANDE ALTERNATIV

•

Investering - värmepump - värmekälla - värmesänka

•

^Elpris

- rak taxa - tariff taxa

•

Kostnad för alternativ till värmepump

•

Dimensionering? Jämför skiftet 1985!

Ekonomi 1

0,00 0,50 1,00 1,50

0,00 0,50 1,00 1,50

El-pris (kr/kWh)

Alternativ energikostnad (kr/kWh)

El-värme billigast

Alternativ energi billigast

COP = 2

COP = 5 Kapitalkostnad

= 0,50 kr/kWh

När lönar sig värmepump?

COP = 3 COP = 4

DIMENSIONERING

P_dim

Q_vpa Q_tva

8760

Effekt, P [kW]

Tid [h/år]

Utnyttjandetid

] [

] ] [

[

dim kW Q

kWh h Q

 



Värmekostnad = Investering • annuitetsfaktor + rörlig kostnad

Värmepump

Tillsatsvärme p.s.s.

• OBS! Både effekt och temperatur kan begränsa täckningsgraden

] /

[ )

1 (

, kr kWh

SPF a K

a Inv x

K _vpa ^{el vpa}

vpa

vpa vpa vpa

vpa  





 

Inv = inv. kostnad [kr/kW]

x = andel underhåll av inv.

 = utnyttjningstid [h]

SPF = årsvärmefaktor [-]

Ekonomi 2

UTNYTTJANDETID

• Utnyttjandetid för värmepumpsanläggning

] [

] ] [

, [

kW Q

kWh h Q

vpa vpa vpa

u  



Ekonomi 3

va u vpa

vpa vpa

vpa

u p

p q

, ,

)

( 

  

Varaktighetsdiagram:

Stockholm

-20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60 80 100

Tid [%]

Temperatur [°C]

Q_TVA Q_vpa

Q´_vpa

Q´_TVA

• Utnyttjandetid för värmeanläggning

D va

D va va

u Q

Q

, ,   ,

 _T.ex. _{u,va  2629 [h/år]}

DIMENSIONERING - Effekt och energi

Ekonomi 4

y = 0,9907x⁴ - 1,2471x³ - 1,3724x² + 2,6298x + 0,0002 R² = 1

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Effekttäckningsgrad x [-]

Energitäckningsgrad [-]

•

Effekttäckning värme

p_vpa [kW_vpa /kW_va,D ] - Effektkostnad

I_vpa [SEK/kW_vpa ]

•

Energitäckning värme

q_vpa = q_vpa (p_vpa ) [-]

- Klimat - Byggnad

- Dimensionering - Energikostnad

K_vpa [SEK/kWh_vpa ]

•

T.ex. Stockholm

DIMENSIONERING

- Kapitalkostnad för värmepumpsvärme

Ekonomi 5

•

Investeringskostnad

- I_vpa1 = 15 000 SEK/kW_vpa - I_vpa2 = 10 000 SEK/kW_vpa

•

Kapitalkostnad för värme K_vpa = K_vpa (p_vpa )

Kapitalkostnad för värme som funktion av effekttäckningen

va u vpa

vpa

vpa vpa

vpa q p

a p I

K

) ,

( 







0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

KI1 p( ) KI2 p( )

p

DIMENSIONERING

- Total kostnad för värmepumpsvärme

Ekonomi 6

•

Investeringskostnad

- I_vpa1 = 15 000 SEK/kW_vpa - I_vpa2 = 10 000 SEK/kW_vpa

•

Driftskostnad - drift (el), K_el

SFP_vpa = 3 - underhåll

Värmekostnad som funktion av effekttäckning

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Khp1 p( ) Khp2 p( )

p vpa

vpa el I

vpa SFP

K K

K  _, 

DIMENSIONERING - Total värmekostnad

Ekonomi 7

• Värmepumpsvärme, K_vpa - Kapital (hög)

- Drift (låg); SFP = 3

• Tillsatsvärme, K_tva - Kapital (låg)

- Drift (hög)

Alt.1: 1 SEK/kWh, Alt. 2: 2 SEK/kWh

Värmekostnad











 









 





 _tva

vpa vpa

vpa vpa

vpa vpa

tot K

p p q

K p

q

K 1

) (

) 1 (

) (

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.25

0.5 0.75 1

Ktot1 p( ) Ktot2 p( ) Ktot1 .2 p( )

p

K_tva2

OPTIMAL EKONOMISK DIMENSIONERING

] /

[

1 K kr kWh

Q K Q

Q

K Q _tva

vpa tot vpa

tot vpa

tot 









 









 





Total kostnad 

• VP sparar bara vid drift!

• Kostnad för VP, värmekälla och värmesänka ökar med storlek

• Övereffekt  låg utnyttjningstid

• Tumregel: 50 % effekt  80-90

% energitäckning

•

Kapacitetsreglering ger alternativ till TVA

•

Effekttaxa kan premiera täckningsgrad

Effekttäckningsgrad [kW/kW_dim]

Värmekostnad [kr/kWh]

K_tva K_tot

K_vpa

0 0,5 1,0

VÄRMEPUMPAR OCH

TERMODYNAMIKENS 2:a HUVUDSATS

• Värmekraftprocess

- Värme kan inte helt omvandlas till arbete (det blir alltid

spillvärme)

• Värmepumpsprocess

- Värme kan inte gå från låg till hög temperatur utan tillsats av arbete

1 2 1

2 1 1

2 1

1

1 T T T

T T Q

Q Q

Q W

T   

 



  ^{1 2}

1 1 1

T T

T W

COP_C Q

 



2 1

2 2 2

T T

T W

COP _C Q

 



T₁

T₂

Q₁

Q₂

W

T₁

T₂

Q₁

Q₂

W

Teori 1

EXEMPEL

• COP_C1 = T₁/(T₁ - T₂) - t₁ = 20 °C, t₂ = 0 °C

 COP_1C = 14,7

- t₁ = 50 °C, t₂ = -10 °C

 COP_1C = 5,4

• COP_1vp = Q₁/W_em

_C1 = COP_1vp / COP_1C Komponenter

 _C1 = 0,5 till 0,8

 COP_1vp = 2,7 till 4,3

T₁

T₂

"pumphöjd"

t_vbut

t_kbin

t_kbut t_vbin

Q₁

Q₂ W_em t_rum = 20 °C

t_källa = 0 °C

Teori 2

BEHOV AV KÖPT ENERGI

- TEMPERATURNIVÅ OCH HJÄLPEFFEKTER

• Köpt energi = Q/COP; Inverkan på COP

-

Temperaturnivåer och drivenergier:

• Exempel med återladdning

-

Tkb = +4 K borde ge COP/COP ≈ +10 %

-

Men Tvb >+4 K, we,p/we,vp = -9-10-24 ≈ -43 %

-

Total minskning 40 - 60 %!











 



 

 

 

 

 

vp e

p vb e

kb vp

e vp e

W W T

T T T

T T

T T W

W COP

COP

, , 2

1 1

2 2

, 1 , 1

1









Teori 3

HUR STOR ÄR EN VÄRMEPUMP?

0 1 2 3 4 5

-5 0 t_kbin [°C] 5 10

Effekt [kW]

II (mät.): P1vpa, 35 °C II (reg.): P1vpa, 35 °C II (mät.): P1vpa, 50 °C II (reg.): P1vpa, 50 °C II (mät.): Pevpa, 35 °C II (reg.): Pevpa, 35 °C II (mät.): Pevpa, 50 °C II (reg.): Pevpa, 50 °C

• Dimensionera upp värmekälla och värmesänka → större vp

• Ex. ovan → ökning 2,5 kW (56 %) → ökat investeringsutrymme 37 500 SEK med I_vpa = 15 000 SEK/kW

(t.ex. 60 → 110 m borrhål + 5 extra radiatorer) Teori 4

MARKVÄRME MED VÄRMEPUMP - Värme, kyla (frikyla) och lagring i berg

• Värmekälla

• Värmesänka

• Värmelager

Värmestrålning Solstrålning

Nederbörd

Borrhål Borrhål Borrhål Borrhål

Värmeled- ning i berg Grundvatten- flöde i berg

Geotermiskt värmeflöde

10 - 20 m Påverkas av

årstidsväxlingar

Neutral zon

Temperatur stabil i tiden Ökar med ökande djup

Praktik 1

SMÅHUS: FÖRUTSÄTTNINGAR

• Borås (Nutek/STEM referens) - Klimatzon 4, t_år = +5,8 °C

• Byggnad: 1977, fristående

- BRA = 140 + 10 m²

- torpargrund

- isolering 12 cm (U  0,35 W/m²/K), - fönster 2-glas (U  2 W/m²/K)

• Installationer:

- F-ventilation, 165 m³/h (0,5 oms/h) - Direktel , 10,3 kW

- El-beredare, 300 liter, 1,5/3 kW

• Totalt köpt energi:

- 25 MWh/år, 167 kWh/m²/år

Elprisets utveckling

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

1980 1985 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002År

Pris [SEK/kWh]

Moms Energiskatt Fast kostnad Energipris

VINNARKONCEPT

• Fast pris 39 000 SEK - värmepump ca. 4 kW - borrhål 60 m

- fläktkonvektor ca. 4 kW

• Tillägg 3 000 SEK - större fläktkonvektor - en radiator

• Förväntad besparing

- 9000 kWh/år (uppvärmning)

• Utvärdering + förberedelse av framtida modifieringar

BERÄKNAD SPF FÖR VINNARKONCEPTET + TÄNKBARA FÖRBÄTTRINGAR

1. Tävlingsförslag 2. Återladdning 3. Pumpdrift

4. Lastanpassning (ackumulator) 5. Lågtemperatur-

system

Värmefaktor för olika konverteringsalternativ

0 1 2 3 4 5 6

-15 -10 -5 0 5 10 15

t_ute [°C]

COPvpa [-]

V: IV plus lågtemperatursystem (40/30) IV: III plus lastanpassning

III = II plus effektiv pumpdrift II = I plus återladdning I = enligt värmepumpstävling

Värmekällan (återladdning) Distribution (effektiva pumpar)

Last- anpassning Lågtemperatursystem 40/30

OMBYGGNAD 1: ”VINNARKONCEPTET”

• Enkel värmepump (”kylskåpsmodul”

0,6x0,6x0,6 m)

• Enkel styrning

(utetemperaturbaserad

”kurvstyrning”)

• Enkelt värmesystem (fläktkonvektor +

bibehållna el-radiatorer)

• Bibehållen el-beredare

Värme- pump Styrenhet

t_wi Borrhål

P1

Fläkt- konvektor L

OMBYGGNAD 1: RESULTAT

• Besparing ca. 9000 kWh på uppvärmning

• Nuvärde 100 000 SEK (1 SEK/kWh, 15 år)

• Investering 42 000 SEK

Visthusgatan 6: Veckomedelvärden 1996

-10 0 10 20 30 40 50

0 2 4 6 8 10 12

Månad [nr]

Temperatur [°C]

Tvb,ut Tluft,ut Tluft,in Tkb,in Tute

OMBYGGNAD 2: RESULTAT

• Köldbärartempera- turen ökar

• Men värmefaktorn minskar!

• Varför?

Köldbärartemperatur med och utan återladdning

-5 0 5 10

-10 -5 0 5 10 15

Utetemperatur [°C]

Temperatur [°C]

Tkbin 00/01 Tkbut 00/01 Tkbin 96 Veckomedelvärden

Med återladdning

Utan återladdning

Värmefaktor

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

-10 -5 0 5 10 15

Utetemperatur [°C]

COP [-]

COPvp COPvpa COPvpa*

COPvpaf COPvp-96

Veckomedelvärden år 2000

COP_vpaf COP_vpa COP_vp COP_vp-96

OMBYGGNAD 3+4:

STYRNING OCH LASTANPASSNING

”Varför enkelt när man kan göra det så vackert komplicerat?”

1 Värmepump 2 Återladdning 3 Pumpdrift 4.1 Specialtank 4.2 Styrsystem

Värme- pump

VV

KV

Styrenhet

Värme- del

VV- del

tvbin

Värmesystem

Borrhål

ttank2

trum

VVX1

P1

P3

P2 ttank1

SAMMANFATTNING EXEMPEL 1

• Typiskt 70-tals direktelvärmt småhus med lägre

specifik energianvändning än moderna ”passivhus”

• Besparing: 25 MWh/år → 9 MWh /år - 4,5 MWh/år för värme och varmvatten - 133 kWh/m²/år → 30 kWh/m²/år

- 167 kWh/m²/år → 60 kWh/m²/år

• Bättre styrning av inomhusklimatet än i ”passivhus”

• Ekonomi: Rak pay-off 5 år, nuvärde 178 000 SEK

- Investering ca. 80 000 SEK, besparing ca. 16 000 SEK/år

KONTORSBYGGNAD I LUND

•

Byggnadsbeskrivning - Byggnad: 5 300 m²

- Ventilation: VAV/CAV med FTX

- Värme: Radiatorer

- Kyla: Kyld tilluft

•

Besparing (köpt energi) - Värmeåtervinning

- VAV/DCV

- Värme ur mark

- Frikyla: uteluft

- Frikyla: låg marktemperatur med säsongslager

Praktik II-1

Värmestrålning Solstrålning

Nederbörd

Borrhål Borrhål Borrhål Borrhål

Värmeled- ning i berg Grundvatten- flöde i berg

Geotermiskt värmeflöde

10 - 20 m Påverkas av

årstidsväxlingar

Neutral zon

Temperatur stabil i tiden Ökar med ökande djup

KONTORSHUS: TILLÄMPNING MED FRIKYLA

• Rätt förhållande mellan värme- och kylbehov ger stor andel frikyla

• Rektangulära borrhålssystem

• Astronomihuset i Lund (köpt kyla + värme):

< 28 kWh/m²/år;

< 10 W/m²!

1/10 av normalt!

• Värmepump som

spets för kyla/värme?

Varaktighetsdiagram för el-effektbehov

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

 [h]

El [W/m2]

8760 h Värmepump, W_e/A

19,6 kWh/m² BTA per år

Varaktighetsdiagram för kyl- och värmeeffekt

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

 [h]

Effekt [W/m2]

8760 h Värmepump, Q₁/A

89 kWh/m² BTA per år Värmepump kyla/värme

Frikyla, Q_berg/A 25 kWh/m2 BTA per år Tillsatsvärme, Q_tva/A

8 kWh/m² BTA per å

Värmepumpskyla, Q₂/A 2 kWh/m2 BTA per år

RESULTAT

Årlig energianvändning MWh kWh per m²

Värmebehov 515 97

Värmetillförsel

Värmepump 475 89

Tillsats 40 8

Kylbehov 155 29

Värmebortförsel

Frikyla 130 25

Värmepump (v+k) 15 3

Värmepump (k) 10 2

El

Kompressor 104 19.6

Pumpar 7 1.3

Praktik II-3

SPF_vpa = 4,3 SPF_vp = 4,6

SPF_va = 3,4

• Värme

• Kyla

SPF_ka = 17

• Värme + kyla SPF_v+k,a = 4,4

SAMMANFATTNING EXEMPEL 2

• Investeringskostnad 10-15 000 SEK/kW_värme

• Värme + kyla ger stor besparing och hög utnyttjandetid

• Mycket stor minskning av köpt energi

• Besparing av köpt energi i förhållande till fjärrvärme + fjärrkyla

ca. 270 000 SEK/år

• Investeringsutrymme > 20 000 SEK/kW_värme

• GRATISENERGI FINNS INTE!

(Kapitalkostnad och drivenergi till hjälpapparater)

Praktik II-4