Simulering av off-grid-lösning till flytande småhus

Simulering av off-grid-lösning till flytande småhus

En undersökning av möjlig självförsörjning Erik Qvicker

Examensarbete

Huvudområde: Energiteknik Högskolepoäng: 15 hp Termin/år: VT 2020 Handledare: Ulf Söderlind Examinator: Olof Björkquist

Kurskod/registreringsnummer: ER015G

Utbildningsprogram: Energiingenjörsprogrammet, 180 hp

i

flytande småhus

En undersökning av möjlig självförsörjning Erik Qvicker

Illustration: Stockholm Tiny House Expo

MITTUNIVERSITETET

Avdelningen för kemiteknik (CHE) Termin/år: VT2020

Handledare: Ulf Söderlind, ulf.soderlind@miun.se Examinator: Olof Björkquist, olof.bjorkquist@miun.se Utbildningsprogram: Energiingenjörsprogrammet, 180 hp Datum: 2020-06-27

ii

Sammanfattning

Det här arbetet gjordes i samarbete med organisationen Stockholm Tiny House Expo. Syftet med arbetet var att försöka ta fram en fungerande off-grid-lösning för uppvärmning och elproduktion, för en specifik typ av småhus med två våningar. Femton småhus kommer placeras på en flytande plattform i vattnet utanför Kastellholmen i Stockholm till en utställning år 2022. Simuleringarna utfördes på ett sådant hus under premissen att en eventuell lösning skulle vara applicerbar på samtliga småhus. Det var på förhand inte givet att en fullständig lösning skulle påträffas, eller vilken metod som skulle vara mest lyckad. Off- grid-lösningen undersöktes genom simuleringar i programvaran IDA Indoor Climate and Energy. Arbetet innefattade dimensionering av husets klimatskal, värmesystem samt system för elproduktion och energilagring. Först konstruerades en enkel modell av huset. Två olika värmesystem undersöktes.

Den ena modellen använde en pelletspanna för värmeproduktion och den andra modellen använde en värmepump med sjövärme som värmekälla. I båda modellerna arbetade värmeproducenterna mot en ackumulatortank, vars vatten värmdes och sedan försåg husets tre radiatorer med varmvatten. Båda modellerna använde ett kompletterande FTX-system för uppvärmning. Målet med uppvärmningen var att på årlig basis förse huset med värme motsvarande dess effektbehov, för att hålla en jämn inomhustemperatur. Båda modellerna lyckades upprätthålla en medelinnetemperatur nära förvald temperatur på 21℃ under höst och vinter. Ingen hänsyn togs till kylning av huset vilket resulterade i att innetemperaturen steg under sommaren. För elproduktion dimensionerades en solcellsanläggning som kompletterades med energilagringskapacitet från ett solcellsbatteri. Målet var att förse huset med en elenergi motsvarande en normal årsförbrukning för hus av den storleken samt elenergi för att driva ventilationssystemets fläktar. I värmepumpmodellen behövde även värmepumpen förses med elenergi vid drift. När hänsyn togs till energibalansen under ett år kunde ingen av modellerna förses med elenergi under hela vinterhalvåret. Detta berodde på att elförbrukningen var större än vad solcellsanläggningen tillsammans med batterilager tillförde systemet under samma period. Pelletsmodellen klarade av att vara off-grid under cirka åtta månader av året, med undantag för årets två första och sista månader.

Värmepumpmodellen klarade endast av att vara off-grid under vår och sommar.

Nyckelord: Off-grid, simulering, elproduktion, värmeproduktion, värmesystem, energilagring

iii

Abstract

This work was done in collaboration with the organization Stockholm Tiny House Expo. The aim of the work was to try to develop a functioning off-grid solution for heating and electricity generation, for a specific type of two-storey house. Fifteen tiny houses will be placed on a floating platform in the water outside Kastellholmen in Stockholm for an exhibition during 2022. The simulations were carried out on such a house under the premise that a potential solution would be applicable to all tiny houses. It was not foreseeable that a complete solution would be found, or which method would be most successful.

The off-grid solution was examined through simulations in IDA Indoor Climate and Energy. The work included dimensioning of the house's building envelope, heating system as well as system for electricity generation and energy storage. First, a simple model of the house was constructed. Two different heating systems were investigated. One model used a pellet boiler for heat production and the other model used a heat pump with sea water as a heat source. In both models, the heat producers transferred heat to a water reservoir which then provided the house's three radiators with hot water. Both models used a complementary FTX-system for heating. The aim of the heating was to provide the house with heat corresponding to its power needs on an annual basis, in order to maintain a uniform indoor temperature. Both models managed to maintain an average temperature near the preset temperature of 21℃ during autumn and winter. No consideration was given to cooling the house, which resulted in the indoor temperature rising during the summer. For electricity generation, a photovoltaic system was dimensioned and supplemented with energy storage capacity from a battery. The goal was to provide the house with an amount of electrical energy corresponding to a normal annual consumption for houses of that size, as well as electrical energy to operate the ventilation system fans. In the heat pump model, the heat pump also needed to be supplied with electrical energy during operation. When the energy balance was taken into account for one year, none of the models could be supplied with electricity throughout the winter. This was due to the fact that the electricity consumption was greater than what the photovoltaic system together with battery storage supplied to the system during the same period.

The pellet model managed to be off-grid for about eight months of the year, with exception for the first and last two months of the year. The heat pump model only managed to be off-grid during spring and summer.

Keywords: Off grid, simulation, electricity generation, heat production, heating system, energy storage

iv

Förord

Det här examensarbetet omfattar 15 hp. Det utfördes under våren 2020 i samarbete med Stockholm Tiny House Expo. Jag vill tacka min handledare Thomas Linderholm som varit till stor hjälp under arbetets gång och instruerat om simuleringsprogrammens funktion samt tillhandahållit värdefull hjälp och information som underlättat arbetet. Jag vill tacka Fredrik Svedbrant på Stockholm Tiny House Expo för möjligheten att få göra detta arbete. Jag vill även tacka min handledare Ulf Söderlind på Mittuniversitetet för de råd som han bidragit med.

v

Innehåll

Sammanfattning ... ii

Abstract ... iii

Förord ... iv

Terminologi ... viii

Matematisk notation ... ix

1 Inledning ... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Stockholm Tiny House Expo ... 2

1.3Problemformulering ... 2

1.4 Övergripande syfte ... 3

1.5 Avgränsningar ... 3

1.6 Konkreta och verifierbara mål ... 4

1.7 Författarens bidrag ... 4

2 Teori ... 5

2.1 IDA ICE ... 5

2.2 Energikrav för byggnader ... 5

2.3 Energianvändning i byggnader ... 7

2.3.1 Värmetröghet... 7

2.3.2 Energibalans ... 8

2.3.3 Värmeeffektbehov ... 8

2.4 Värmesystem ... 9

2.4.1 Bioenergianläggning ... 9

2.4.2 Värmepumpsystem ... 9

2.4.3 Radiatorsystem ... 12

2.4.4 Ventilationssystem ... 13

2.4.5Värmeåtervinning för ventilation ... 14

2.4.6 SFP... 16

2.5 Solenergi ... 16

2.5.1 Solinstrålning ... 16

vi

2.5.2 Solceller ... 17

3 Metod ... 19

3.2 Dimensionering av klimatskal ... 20

3.3 Dimensionering av värmesystem ... 21

3.4 Dimensionering av energiproduktion ... 24

3.5 Dimensionering av batterilager ... 27

4 Konstruktion ... 28

4.1 Husets konstruktion ... 28

4.2 Klimatskalet ... 29

4.3 Värmeeffektbehov och värmeförluster ... 39

4.4 Värmesystem ... 40

4.4.1 Distributionssystem ... 40

4.4.2 Pelletspanna ... 43

4.4.3 Värmepump ... 43

4.4.4 FTX-system ... 44

4.5 Solcellsanläggning ... 47

5 Resultat ... 49

5.1 Värmesimuleringar ... 49

5.1.2 Värmepumpmodell ... 51

5.1.3 FTX-system ... 52

5.2 Solelproduktion... 53

5.3 Energisimuleringar ... 53

5.3.1 Pelletsmodell ... 53

5.3.2 Värmepumpmodell ... 56

5.4 Energilagring ... 59

5.4.1 Pelletsmodell ... 59

5.4.2 Värmepumpmodell ... 60

6 Diskussion ... 61

6.1 Värmeeffektbehov och Värmesystem ... 61

6.2 Elproduktion och batterilager ... 62

vii

6.3 Övriga tankar ... 64

6.4 Fortsatt arbete ... 64

Källförteckning ... 65

Bilaga A: Andra dimensioneringar av värmepumpar ... 73

Bilaga B: Solcellsanläggning monterad på hustaket ... 76

Bilaga C: Förhöjd lagringskapacitet för båda modeller ... 77

viii

Terminologi

Klimatskal Byggnadens omslutande ytor inklusive isolering och fönster Värme Överföring av värmeenergi

Elvärme Direktverkande el som driver ett värmesystem Elproduktion Omvandling av solenergi till elenergi

Värmeproduktion Tillförd värme från värmesystem Drift Teknisk enhet som brukas

kWh Kilowattimmar

Off-grid Fristående system som inte är anslutet till elnätet U-värde Värmegenomgångskoefficient

Lambdavärde Värmeströmningsmotstånd

DVUT Dimensionerande vinterutetemperatur DIT Dimensionerande innetemperatur

Värmeeffektbehov Mängden värme som värmesystemet behöver tillföra byggnaden för att önskad innetemperatur ska upprätthållas Värmebärare Mediet som inom byggnaden transporterar värme från

värmekällan till värmeavgivaren

Verkningsgrad Förhållandet mellan tillförd och nyttiggjord energi Tilluft Uteluft som äntrar ventilationssystemet

Frånluft Luften som lämnar ventilationssystemet Densitet Massa per volymenhet

Värmekapacitet Energimängd motsvarande en viss temperaturförändring hos ett material.

ix

Matematisk notation

Aom Sammanlagd area för omslutande byggnadsdelars [m²] ytor som angränsar till uppvärmd inneluft.

Um Genomsnittlig värmegenomgångskoefficient [W/m² K]

Uⁱ Värmegenomgångskoefficient för byggnadsdel [W/m² K]

Ai Area för byggnadsdels yta mot uppvärmd inneluft [m²] I^k Linjär köldbryggas längd mot uppvärmd inneluft [m]

Ψi Värmegenomgångskoefficient för linjär köldbrygga [W/m K]

Xj Värmegenomgångskoefficient för punktformig köldbrygga [W/K]

Pt Transmissionsförluster [W]

Pv Ventilationsförluster [W]

P^ov Luftläckage [W]

Pw Tillförd värme från värmesystemet [W]

P^s Solinstrålning [W]

Pi Internvärme från människor och elektronik [W]

P^tilluft Tilluftfläktens förbrukade effekt [W]

Pfrånluft Frånluftfläktens förbrukade effekt [W]

qmax Det största flödet av till- och frånluftsflödena [m³/s]

q^v Styrt ventilationsflöde [m³/s]

qtill Tilluftsflöde [m³/s]

q^från Frånluftsflöde [m³/s]

x

Wp Maxeffekt under standardiserade testförhållanden [J/s]

Ǭ Överförd värmeeffekt [J/s]

α Värmeövergångstal [W/m² K]

As Area [m²] ΔT Temperaturdifferens [K]

T^inne Innetemperatur [K]

T^ute Utetemperatur [K]

Tutlopp Radiatorns returledningstemperatur [K]

Tinlopp Radiatorns framledningstemperatur [K]

Tåtervinning Återvinningstemperatur [℃]

T^ute Utetemperatur [℃]

Tfrån Frånluftstemperatur [℃]

T^av Avluftstemperatur [℃]

ṁ Massflöde [kg/s]

cp Specifik värmekapacitet [J/kg K]

V’ Volymflöde [m³/s]

Δp Differenstryck [Pa]

K Flödesmotstånd [Pa/( m³/s)²] Qt Specifik värmeförlustfaktor för transmission [W/K]

Q^v

ρ

𝛈till, från Temperaturverkningsgrad för till- och frånluft [%]

1

1 Inledning

1.1 Bakgrund

I Stockholm råder det idag bostadsbrist i samtliga

kommuner, samtidigt som en stor del av de nyproducerade bostäderna inte matchar efterfrågan och få har råd att flytta in. De som främst påverkas av bostadsbristen är hushåll med låga inkomster där ungdomar, nyanlända och barnfamiljer är bland de som påverkas mest [1]. Enligt artikel 25 i FN:s allmänna förklaring till de mänskliga rättigheterna har varje individ rätt till bostad och en tillräcklig levnadsstandard för den egna och familjens

välbefinnande och hälsa [2]. Rätten till bostad nämns även i Agenda 2030 som ett av målen för hållbar utveckling [3]. En av de boendeformer

som idag har störst efterfrågan är små hyresrätter [1].

Småhusrörelsen eller “The Tiny House Movement”, som den är internationellt känd, är ett

gensvar på konsumtionskulturen [4]. Småhusrörelsen fokuserar på ett effektivt användande av utrymme och väldesignade hus som uppfyller de boendes behov samt möjliggör att de boende kan leva sina liv på ett önskvärt sätt [5]. Några av de fördelar som nämns i samband med småhus är att en begränsad boendeyta leder till färre inköp och därmed lägre

konsumtion. Färre resurser förbrukas vid produktion och husen tenderar att vara mer energieffektiva än större hus [4]. Det finns ingen officiell

storleksdefinition av småhus och somliga definierar det som alla hus med en boendeyta mindre än 74 kvadratmeter, medan andra definierar det som hus med en boendeyta mellan 6 – 37 kvadratmeter. Att definiera storleken för småhus anses inom rörelsen inte vara väsentligt [5].

Runt om i världen har arkitekter och stadsplanerare börjat undersöka möjligheten att konstruera flytande byggnader för att minska

befolkningstätheten i stadskärnorna samt för att skapa översvämningssäker design. Enligt en rapport av Världsbanken kan skador på städer från

översvämningar globalt nå kostnader omkring tusen miljarder kr per år vid år 2050 [6]. Enligt FN:s internationella klimatpanel, IPCC, är det väldigt sannolikt att det här århundradet uppleva stigande havsnivåer för, där vissa regioner kommer vara mer påverkade än andra, och att det vid slutet av århundradet kommer innebära en stigande vattennivå för 95% av världens hav [7].

2

Det sjunde globala hållbarhetsmålet säger att alla människor har rätt till tillgång på driftsäker förnybar energi. År 2017 levde 840 miljoner människor utan tillgång till elektricitet [8]

1.2 Stockholm Tiny House Expo

Mitt arbete görs i samarbete med organisationen Stockholm Tiny House Expo. Det är en utställning som ska hållas i Stockholm under sensommaren år 2022. Deras mål är att ta fram en konstgjord ö där ett 15-tal småhus ska

byggas. Ön kommer placeras i vattnet utanför Kastellholmen och Skeppsholmen i Stockholm [9]. Utställningen ska bli en kulturell samlingsplats som riktar sig till alla människor som är intresserade av småskaligt boende []. Utställningen fokuserar bland annat på ett flertal identifierade hållbarhetsproblem på både global och lokal nivå.

Exempel på dessa problem är:

• Den rådande bostadsbristen i Stockholm [1].

• Stigande havsnivåer i världen [7].

Organisationen har ambitionen att utöka från 15 enheter till 50 enheter i framtiden och småhusen ska då fungera som permanentboenden och företagslokaler [10]. Stockholm Tiny House Expo kommer engagera flera olika tekniska discipliner.

1.3 Problemformulering

Varje huskropp har två våningsplan där det nedre våningsplanet utgör en bostad med yttermått på 30 kvadratmeter och det övre våningsplanet utgör en bostad med yttermått på 15 kvadratmeter. Varje våningsplan ska fungera som separata permanentboenden. För att småhusen på ön ska

kunna användas som permanentboenden behöver de året runt förses med värme och energi på ett pålitligt och driftsäkert sätt. Organisationen har önskemål om att använda en off-grid-lösning. Då det på förhand inte är helt självklart att det är genomförbart behöver det undersökas. För att uppnå en lösning för energi och värme som gör att huset blir

självförsörjande måste följande fyra huvudparametrar beaktas:

• Klimatskal

• Värmesystem

• Elproduktion

• Energilagring

Samtliga huvudparametrar ska dimensioneras efter husets energi– och värmebehov. Klimatskalets utformning samspelar med värmesystemet och ligger till grund för dimensionering av den sistnämnda. Klimatskalets tjocklek avgör även vad den slutgiltiga innergolvsytan blir. Värmesystemet

3

har som uppgift att värma huset och säkerställa att en given innetemperatur upprätthålls. Pelletspanna och värmepump är två värmeproducenter som kommer undersökas.

Elproduktionen kommer ske med hjälp av en solcellsanläggning. Den kommer dimensioneras efter tillgänglig yta på husets fasad samt efter rådande energibehov. Elproduktion och energilagring samspelar med

varandra då tillgången till solenergi kommer variera under dygnet, men även under året. Därför finns ett behov av att kunna lagra en del av energin när produktionen är som högst för att använda vid ett tillfälle då produktionen är lägre [11]. Elproduktion kommer undersökas efter värmesystemet då vissa typer av värmesystem förbrukar elenergi vid drift. Energilagringsbehovet kommer undersökas efter solcellsanläggningen då behovet bestäms av vilket energibehov som finns.

Problemställningen kommer undersökas genom att utföra simuleringar i programvaran IDA ICE, version 4.802. Där kommer en modell av

huset konstrueras och därefter simuleringar för värme och

energi genomföras. Genom att utföra simuleringar på årsbasis kan eventuella över- eller underskott upptäckas samt även när de inträffar. Detta går då att bemöta genom att justera någon av parametrarna, vilket förväntas vara nödvändigt för att komma fram till en fungerande lösning.

1.4 Övergripande syfte

Syftet med arbetet är att undersöka om det är möjligt att under rådande förutsättningar ta fram en lösning som gör den här typen av småhus självförsörjande när det kommer till energi och värme på årlig basis.

1.5 Avgränsningar

Den energitekniska lösningen kommer undersökas för ett av småhusen. Det innefattar en huskropp med totalt två bostäder. Det ska vara en

decentraliserad lösning som kan förse båda våningsplanen med värme och energi. Lösningen ska vara applicerbar på samtliga hus. Huset

kommer konstrueras i syfte att fungera som en modell för

att möjliggöra simuleringarna av värme och energi. Arbetet kommer inte fokusera på husets estetik eller det rent visuella. Arbetet kommer avgränsas till de nämnda huvudparametrarna. Arbetet kommer inte fokusera på kyla i huset. Under varma sommardagar då överskottsvärme kan uppstå kommer denna behöva vädras bort genom att öppna fönster och dörrar.

Då klimatskalets tjocklek avgör hur stor den tillgängliga golvytan är finns det begränsningar på att väggarna maximalt får vara 300 mm tjocka. Då arbetet

4

görs inom det energitekniska området kommer inte byggnadstekniska aspekter prioriteras mer än vad som bedöms vara nödvändigt, där luftläckage i klimatskalet är en sak som inte kommer undersökas.

Solcellsanläggningen ska monteras på husets tak eller fasad. Det finns ingen annan tillgänglig yta där solpaneler kan monteras. Därför får inte

Anläggningen göras allt för stor samt att huskroppen måste ha en tillräckligt stor tillgänglig yta som tillåter montering av solpanelerna. Arbetet kommer inte göra någon djupdykning i teori som behandlar solcellsbatterier då detta inte har ingått som en del av utbildningen.

Arbetet syftar primärt till att undersöka systemlösningar för ett av småhusen, men då simuleringarna kommer anpassas efter faktiska produkter på

marknaden kan valet av dessa tvingas göras med flera husenheter i åtanke.

Produktvalen som görs kommer då möjliggöra rimliga lösningar även i förlängningen när flera husenheter uppförs. Arbetet går inte in på

ekonomiska aspekter omkring implementering av olika systemlösningar.

Dock kommer dimensioneringar av system att motiveras för att undvika överdimensioneringar av system. Ingen hänsyn kommer tas till

tappvarmvatten då huset inte kommer ha tillgång till eget tappvarmvatten.

Det kommer istället att finnas tillgängligt i gemensamma kök- och duschutrymmen.

1.6 Konkreta och verifierbara mål

Resultatet av arbetet kommer besvara vilka energitekniska lösningar som bör användas till huset samt hur klimatskalet bör utformas. Om en fungerande lösning på problemformuleringen erhålls kommer lösningen dels vara applicerbar på de andra husen på ön, men det kan också bidra till kunskap för framtida liknande situationer där en off-grid-lösning ska

användas. Arbetet hoppas leda till kunskap om hur energi- och värmemässig självförsörjning i ett svenskt klimat kan uppnås. Det svenska klimatet är, med de långa vintrarna, mer krävande på grund av de låga temperaturerna och få soltimmar. Vinsterna är även många med att undersöka förutsättningar för okonventionella boendeformer, och att undersöka just flytande alternativ är särskilt relevant då stigande havsnivåer sannolikt förekommer i större utsträckning i framtiden.

1.7 Författarens bidrag

Arbetet har genomförts självständigt på distans med regelbunden kontakt med handledare från organisationen. En litteraturstudie har gjorts i syfte att samla information inom teknikområden som är relevanta för arbetet. Dessa utgörs av litteratur inom området energiteknik och ett antal

5

forskningsrapporter. Även ett antal webbkällor från myndigheter samt datablad för relevanta produkter har använts till arbetet. Handledaren Thomas Linderholm har bidragit med kunskap till arbetet och används därför som referens i rapporten. Samtliga tabeller och diagram som berör simuleringarna är hämtade från IDA ICE eller Microsoft Excel om inte annat anges.

2 Teori

2.1 IDA ICE

IDA Indoor Energy and Climate, även kallat IDA ICE. Är ett

simuleringsprogram för byggnaders inomhusklimat och energiförbrukning för specifika zoner inom byggnaden. Programmet tillåter beräkningar för bland annat energi, värme, luftflöden, luftfuktighet samt design av olika energi- och värmesystem [12].

2.2 Energikrav för byggnader

Det finns specifika krav för värme -och energiförbrukning i bostäder och lokaler.

Det är Boverket som tagit fram dessa och kraven varierar beroende på geografisk placering, typ av byggnad, storlek på byggnad och

uppvärmningssätt. Sverige delades tidigare in i olika

klimatzoner beroende på län. Det fanns totalt fyra klimatzoner, där den geografiska indelningen såg ut som nedan [13]:

6

• Klimatzon I: Norrbotten, Västerbotten och Jämtlands län.

• Klimatzon II: Västernorrlands,

Gävleborgs, Värmlands och Dalarnas län.

• Klimatzon III: Östergötlands, Jönköpings, Kronobergs, Örebro, Södermanlands,

Stockholms, Västmanlands,

Uppsala och Gotlands län. Västra Götalands län utom kommunerna Härryda, Göteborg, Mölndal, Öckerö och Partille.

• Klimatzon IV: Blekinge, Kalmar, Halland och Skåne län. Följande kommuner i Västra Götalands län: Härryda, Göteborg, Mölndal, Öckerö och Partille [13].

Sedan 2017 används istället geografisk justeringsfaktor, vilket ger en

finare indelning då den nu görs på

kommunnivå. Den nya indelningen möjliggör bättre anpassning till kommuners lokala klimatförutsättningar samt underlättar för kommuner att uppfylla energikravet då de får mer likvärdiga förutsättningar. Det baseras på SMHI:s beräknade

energiindex för mätorter i Sveriges kommuner, för normalårsperioden 1981–

2010. Med Eskilstuna som referensort anges den geografiska justeringsfaktorn av ett värde från 0,8 till 1,9. Den beräknas genom att dividera kommunens energiindex med motsvarande värde för Eskilstuna. Med den nya

indelningen får kommuner i klimatzon I en geografisk justeringsfaktor på 1,3 - 1,9 medan klimatzon II får ett värde från 1,0 - 1,4. Det är i dessa

zoner som de största förändringarna sker. Klimatzon III får ett värde mellan 0,9 – 1,1 medan klimatzon IV får ett värde mellan 0,8 – 1,0 [14]. För samtliga kommuner i Stockholm gäller en geografisk justeringsfaktor på 1,0 [15].

År 2017 infördes nya regler för nybyggnation. Tidigare användes

byggnaders specifika energianvändning som mått för att beskriva energiförbr ukningen i byggnader. Det beskriver byggnadens energianvändning

per Atemp. Den bortser från hushållsenergi och verksamhetsenergi utöver byggnadens grundläggande krav på värme, varmvatten och

Figur 1. Illustrering av de svenska klimatzonerna.

7

ventilation [16]. Sedan införandet 2017 används istället

primärenergital (PET) för att beskriva byggnaders energiprestanda benämnt som primärenergi. Det beskriver byggnadens energianvändning med hänsyn tagen till dess geografiska läge i landet och anges i primärenergi fördelat

på Atemp (kWh/Atemp och år). För småhus med en golvyta på 50 m2 gäller en

maximal energianvändning på 90 kWh/m² Atemp. Undantag är görs för småhus där A^temp understiger 50m², där inga sådana

krav förekommer. Enligt BBR finns även krav för högsta genomsnittliga värmegenomgångskoefficient, som för småhus där Atemp understiger 50m² maximalt får vara 0,33 W/m² K [17]. Denna beräknas enligt följande formel

(ekv 1)

2.3 Energianvändning i byggnader 2.3.1 Värmetröghet

Byggnader brukar delas in i tunga och lätta stommar. I en byggnad med lätt stomme påverkas inomhustemperaturen snabbare av väderförändringar än i en byggnad med tung stomme, där inomhustemperaturen påverkas först efter längre sammanhängande värme eller kyla. Den avgörande faktorn för huruvida en byggnad är lätt eller tung är dess förmåga att lagra värme samt hur snabbt den lagrar värme [18]. Detta kan uttryckas som byggnadens värmetröghet och beror av byggnadsmaterialens tillgängliga volym

och densitet. Samt materialens respektive specifika värmekapacitet och deras värmeledningsförmåga [19]. För lätta byggnader är värmekapaciteten mindre relevant. En byggnadsstomme i betong är att bedöma som tung, medan en stomme i trä bedöms som lätt Typ av isolering samt dess tjocklek utgör en fundamental del av klimatskalets värmeegenskaper. En viktig parameter när det kommer till typ av isolering är dess u-värde. Lägsta möjliga u-värde är att föredra då det avgör hur mycket värme som släpps igenom. Ett tjockare isolerskikt innebär lägre värmeförluster [11].

8

2.3.2 Energibalans

För att en byggnad ska hålla en jämn temperatur behöver summan av den bortförda värmen vara lika stor som summan av den tillförda, vilket kan uttryckas som

P

= P

(ekv 2)

Uttrycket kan utökas till att inkludera de viktigaste delarna i en byggnads energibalans

P

+ P

+ P

= P

+ P

+ P

(ekv 3)

Den tillförda värme som kommer från människor, elektronik och

solinstrålning är relevant när en byggnads energibalans beräknas men bortses normalt ifrån vid dimensionering av effektbehov [20].

2.3.3 Värmeeffektbehov

Värmeeffektbehov anger hur mycket värme som behöver tillföras en byggnad för att bibehålla en given temperatur [11]. Värmesystemet dimensioneras för att hålla DIT vid DVUT [20]. Värmeeffektbehovet bestäms av

transmissionsförluster och ventilationsförluster [21].

Transmissionsförluster är värmeförluster genom

byggnadens klimatskal, anslutningar mellan olika byggnadsdelar samt på ställen där rörgenomföringar förekommer. Beräkning av

transmissionsförluster görs separat för varje rum genom att

varje byggnadsdels area mäts och u-värde bestäms [22]. Detta görs med följande formel:

𝑄

= ∑ 𝑈

𝑛

𝑖=1

· 𝐴

+ ∑ 𝜓

· 𝐼

𝑚

𝑘=1

+ ∑ 𝑋

(𝑒𝑘𝑣 4)

𝑝

𝑗=1

Den del av värmeeffektbehovet som motsvaras av transmissionsförluster kan sedan beskrivas med följande uttryck

P

= Q

· (T

- T

) (ekv 5)

9

Ventilationsförluster uppkommer då uteluften som tillförs byggnaden via ventilationssystemet behöver värmas för att inte kyla ned byggnaden.

Ventilationsförluster kan beskrivas med följande uttryck

Q

= ρ · c

· q

(ekv 6)

Ventilationsförlusternas motsvarande värmeeffektbehov kan uttryckas enligt nedan [22].

P

= Q

· (T

- T

) (ekv 7)

2.4 Värmesystem

2.4.1 Bioenergianläggning

Denna kategori av värmeanläggningar utgörs av ett flertal olika varianter som till exempel vedpannor, pelletspannor och pelletskaminer. Det finns ett flertal vanligt förekommande biobränslen. Ett sådant bränsle är pellets, som har ett högt energiinnehåll; 4,5 - 5,0 kWh/kg – vilket är cirka dubbelt så mycket som energiinnehållet i ved. Pellets är även lättare att hantera än ved.

Andra fördelar är att pellets är homogent, lätt att transportera samt att det kan lagras under lång tid.

Eldningen i pelletspannor kan ske automatiskt och de flesta kan köras med variabel effekt, beroende på rådande värmebehov. Pelletspannor har en verkningsgrad på cirka 85%. Att koppla en ackumulatortank till en

bioenergianläggning ökar uppvärmningssystemets effektivitet samt minskar miljöutsläpp från förbränningen.

Om inte en ackumulatortank används är det svårare att bibehålla önskad innetemperatur och risk finns istället att innetemperaturen blir allt för hög [23].

2.4.2 Värmepumpsystem

Värmepumpar arbetar efter kyl- och värmepumpprocessen. Denna process har förmågan att transportera värme från en låg temperatur till en hög

temperatur, vilket går emot de naturliga lagarna för värmeöverföring. Denna process kräver endast en relativt liten mängd driftenergi. Processen gör det möjligt för värmepumpar att utvinna värme ur värmekällor med låg

temperatur, som till exempel mark, luft och vatten. Denna värme kan sedan överföras till en byggnads värmesystem, trots att byggnaden håller en högre

10

temperatur än värmekällan. Värmepumpar arbetar efter en termodynamisk process som vanligtvis delas in i följande fyra steg:

1. Förångning: Köldmediet förångas genom att värme tillförs från värmekällan.

2. Kompression: Köldmediets ånga komprimeras i en kompressor till högt tryck och temperatur.

3. Kondensering: Köldmedieångan kondenseras i sitt komprimerade tillstånd vid hög temperatur och avger då värme till värmesystemet. Efter

kondenseringen är köldmediet åter i flytande form.

4. Expansion: Köldmediet expanderar från högt till lågt tryck och temperaturen sänks då även.

Processen upprepas ständigt, och efter steg 4 börjar processen om med steg 1 [24].

Nedan illustreras värmepumpprocessens olika steg.

Figur 2. Värmepumpprocessens olika steg. Röd färg motsvarar den varma sidan och blå färg motsvarar den kalla sidan.

De flesta värmepumpar som används för uppvärmning använder en elektriskt driven kylprocess där de köldmedier som används håller kokpunkter så låga som -25 till -40 grader vid atmosfärstryck [24].

11

Värmepumpars värmefaktor, även kallat COP, ”Coefficient of Performance”;

är värmepumpens momentana effektivitet för rådande driftfall. COP anges i varje värmepumps tillhörande datablad och bestäms enligt följande:

𝐶𝑂𝑃 = 𝐴𝑣𝑔𝑖𝑣𝑒𝑛 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 (𝑘𝑊)

𝑈𝑝𝑝𝑡𝑎𝑔𝑒𝑛 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 (𝑘𝑊) = 𝑃

+ 𝑃

𝑃

(𝑒𝑘𝑣 8)

Det kan även uttryckas i form av entalpiskillnader enligt följande [25]:

𝐶𝑂𝑃 = 𝑉ä𝑟𝑚𝑒𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 𝐸𝑙𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 = 𝑃

𝑃

= ṁ(ℎ

− ℎ

)

ṁ(ℎ

− ℎ

) = ℎ

− ℎ

ℎ

− ℎ

(𝑒𝑘𝑣 9)

Där

h² – h¹ är kompressorns specifika värmebehov (kJ/kg).

h² – h³ är den specifika kondenseringsvärmen (kJ/kg).

Sjöar kan användas som värmekälla till värmepumpar. De lagrar värme från solinstrålningen som träffar dem. För att hämta värme från värmekällan används kollektorrör. De tillverkas ofta i polyeten, vanligtvis med en diameter på 25mm, 32mm eller 40mm, och är klassade för 6–10 bars tryck [26]. För sjövärme sänks kollektorn ner i vatten och hålls på plats med hjälp av tyngder. Tyngderna behöver normalt väga mellan 2–4 kg per meter kollektorrör. Ett vanligt dimensionerande effektuttag för sjövärme vid användning av en 40mm kollektorslang är 20–30 W/m. Sjövärme lämpar sig för hus belägna nära vatten och kollektorn kan placeras i vattnet utan att riskera att skadas. Vattnet får inte vara för strömt och behöver vara tillräckligt djupt då bottenfrysning medför problem [27].

Värmepumpar som ingår i ett värmesystem där vatten används som värmebärare arbetar mest effektivt vid framledningstemperaturer upp till maximalt 55℃. Därefter kommer en större andel elenergi användas för att uppnå högre temperaturer [11]. Vid dimensionering av värmepumpar för genomsnittsvillor med ett uppvärmningsbehov på cirka 25 000 kWh rekommenderas det att en underdimensionering görs för värmepumpens effekttäckning av husets värmeeffektbehov. Detta görs på grund av att en lägre effekttäckning ändå ger en relativt hög energitäckning. En 50-procentig effekttäckning ger en cirka 90-procentig energitäckning, och energivinsterna vid ännu högre effekttäckning blir därför små [28].

12

2.4.3 Radiatorsystem

Det vanligaste distributionssystemet för villor i Sverige är vattenburna radiatorsystem. Vattenburna system är flexibla och passar de flesta värmekällor [28].

Det varma vattnet distribueras via en framledning ut i byggnaden. Vattnet avger värme i radiatorerna och kyls därmed ned. Sedan förs vattnet via en returledning tillbaka till värmekällan. Radiatorsystemet kan vara uppbyggt på olika sätt. Ettrörssystem bygger på principen att en del av framledningen till varje radiatormodul utgörs av returflödet från föregående radiatormodul [29].

Figur 3. Illustration av ettrörssystem.

Det medför att framledningstemperaturen hela tiden sjunker en aning för varje radiatormodul som vattnet passerar. För att kompensera kan storleken på varje ny radiatormodul i flödesriktningen succesivt ökas. En annan lösning kan vara att flödet succesivt ökas. Den vanligaste varianten av radiatorsystem är tvårörssystemet. Det bygger på principen att

framledningen fördelas mellan alla radiatormoduler och att alla sedan ansluter till samma returledning [29].

Figur 4. Illustration av tvårörssystem.

Då radiatorsystemet är parallellkopplat innebär det att alla radiatornoduler har samma framledningstemperatur och av den anledningen behöver inte kompensering för värmeförluster göras för radiatormoduler belägna längre

13

bort från värmekällan [30]. Radiatorsystem delas vanligtvis in i två kategorier:

• Högtemperatursystem: Vanligt i hus byggda under tidigt 80-tal.

Vattentemperaturen från värmekällan ligger uppemot 80℃

• Lågtemperaturssystem: Dessa system började användas under mitten av 80-talet. Den utgående vattentemperaturen är högst 55℃.

Efter att energimärkningen infördes antas nu mer att högtemperatursystem har en temperatur på 55℃ medan lågtemperatursystem håller 35℃ [28].

En radiators värmeavgivning kan beskrivas med följande ekvation för en yta med konstant yttemperatur [31]:

Ǭ = α · A

· ΔT

= ṁ · c

· (T

- T

) (ekv 10)

Då vatten alltid tar den lättaste vägen gör det även det i radiatorsystemet. En injustering, som tvingar vattnet att cirkulera jämt i systemet, behöver därför göras [32]. Injusteringen skapar flödesbalans i systemet. Vilken

injusteringsmetod som används påverkar även karakteristiken på

radiatorerna samt interaktion mellan dem. Injusteringen tar hänsyn till att flödet är beroende av att en tryckdifferens finns i systemet. Flödet upplever även ett motstånd i form av friktion, omledningsförluster och plötsliga hastighetsbegränsningar. Storleken på flödet bestäms av samspelet mellan differenstryck och flödemotstånd och kan beskrivas med följande uttrycket nedan [33].

𝑉

= √∆𝑝

𝑘 (𝑒𝑘𝑣 11)

2.4.4 Ventilationssystem

För att klara de krav på luftkvalitet och inneklimat som

finns för byggnader behöver ett ventilationssystem installeras. Kraven som finns förespråkar inte någon särskild typ av system. Det finns ett flertal olika ventilationssystem på marknaden. Ventilationssystem har vanligtvis två kanaler, en för tilluft och en för frånluft.

Byggnader byggda innan 1970 använder ofta istället självdragsventilation som utnyttjar termiska krafter till att driva ventilationen. FTX-system blir allt vanligare i bostäder när kraven från myndigheter på minskad

14

energianvändning ökar. FTX står för till- och frånluft med värmeåtervinning [34].

Värmeåtervinning ger en besparing

på cirka 80% av energin som annars går åt till att värma upp tilluften. FTX-system kan antingen arbeta vid konstant eller variabelt luftflöde. Ett korrekt projekterat och injusterat FTX-system ger i regel bättre inneklimat än andra enklare ventilationssystem. FTX-system är känsliga för vindpåverkan och byggnadens klimatskal måste

därför vara tillräckligt lufttätt. Systemet är också känsligt för smuts, vilket försämrar värmeåtervinningens verkningsgrad samt fläktarnas elförbrukning [35].

Figur 5. Illustration av FTX-system.

2.4.5 Värmeåtervinning för ventilation

Det finns tre typer av värmeväxlare som används till värmeåtervinning i ventilationssystem [36]:

• Roterande värmeväxlare

• Vätskekopplade batterier

• Plattvärmeväxlare

Roterande värmeväxlare består av ett rotorhjul och ett stort antal små kanaler som sitter axialt på rotorn. Värme och fukt lagras i kanalerna från den varma frånluften från varje rotation som rotorn gör. När rotorn senare i

rotationsrörelsen möter den kalla tilluften tar denna upp värme och fukt från de varma kanalerna [37]. Då till- och frånluftskanalerna är placerade intill varandra och passerar samma fläktrum finns risken att smuts och partiklar läcker över till tilluften [38]. Tilluften för då med sig en liten del av

partiklarna in i bostaden igen vilket kan medföra problem vid matlagning med starka kryddor. Av den anledningen används roterande värmeväxlare normalt inte i bostäder. Detta problem uppstår inte med andra typer av värmeväxlare [11]. Risken för att partiklar ska föras in med tilluften minskas genom effektiva tätningar samt att med genomtänkta placeringar av fläktar skapa rätt tryckförhållanden. Värmeåtervinnare ger upphov till större

15

tryckfall vilket ökar fläktarnas elförbrukning. Den extra elförbrukningen uppvägs dock av värmebesparingen. Roterande värmeväxlare upplever normalt tryckfall från cirka 100 Pa [38]. Temperaturverkningsgraden för roterande värmeväxlare kan ligga omkring 85% [37].

Vid låga temperaturer kan den fukt som finns i frånluften kondensera och frysa till is i värmeväxlaren. Frysrisken är dock liten men vid behov kan avfrostning ske genom varvtalssänkning [38]. Avfrostning av roterande värmeväxlare sker normalt vid -15℃ [11].

En värmeväxlares viktigaste egenskap är dess temperaturverkningsgrad. Den beskriver värmeåtervinnarens förmåga att överföra värme. Den definieras som förhållandet mellan rådande temperaturändring och största möjliga temperaturskillnad [36].

Figur 6. Temperaturverkningsgradens beteckningar.

Till- och frånluftens temperaturverkningsgrader kan beskrivas enligt nedan.

𝜂

= (𝑇

− 𝑇

) · 𝑞

(𝑇

− 𝑇

) · 𝑞

(𝑒𝑘𝑣 12)

𝜂

= (𝑇

− 𝑇

) · 𝑞

(𝑇

− 𝑇

) · 𝑞

(𝑒𝑘𝑣 13)

Då temperaturverkningsgraden beror på värmeväxlande ytans storlek samt värmeövergångstalet för den värmeöverförande ytans båda sidor, är det en maskinberoende konstant [36]. Vid användning av roterande värmeväxlare

16

kan temperaturverkningsgraden ökas genom att välja en större värmeväxlare vid bibehållet ventilationsflöde [38].

2.4.6 SFP

SFP står för specific fan power (på svenska specifik fläkteffekt) och är ett mått på ventilationssystemets eleffektivitet. Ett lågt SFP-tal innebär att fläktarna förbrukar lite elenergi vid drift. SFP- talet beräknas med följande ekvation:

𝑆𝐹𝑃 = 𝑃

+ 𝑃

𝑞

(𝑒𝑘𝑣 14)

För att uppnå ett lågt SPF-tal krävs, förutom att välja energisnåla fläktar, att reducering av tryckfall prioriteras vid utformning och dimensionering av ventilationssystemet. Små aggregat och fläktar har lägre SFP-tal och då mål finns att sänka elförbrukning och driftkostnader går utvecklingen mot ännu lägre SFP-tal [39]. I verkligheten är det lite högre SFP på tilluft än frånluft då det är lättare för ventilationsfläkten att suga än att trycka. Luftvärme kan endast tillföras upp till 52℃ och vid den temperaturen tillför luften endast 10 W/m². Därför används det oftast som komplement till andra värmekällor. Vid ännu högre temperaturer doftar luften av bränt damm [11].

2.5 Solenergi

2.5.1 Solinstrålning

Endast en bråkdel av solens energi träffar jordens yta. Medelvärdet för den solinstrålning som solen avger till atmosfärens yttre rand uppgår till 1370 W/m² och kallas för solarkonstanten. En del av solinstrålningen reflekteras tillbaka, en del absorberas av gaser i atmosfären och en del absorberas av vattenångan i luften. Den resterande solinstrålningen som når jordens yta uppgår i Sverige maximalt till cirka 1000 W/m². Det motsvarar en årlig

medelsolinstrålning på cirka 1000 kWh/m² och år, vilket också stämmer in på den solinstrålning som Stockholm mottar på ett år [40]. Solinstrålningen upplever stor variation under året där den största andelen solinstrålning förekommer mellan maj och juli. Under vintertid sker en kraftig minskning av solinstrålningen. Mängden solinstrålning på en viss yta är starkt

sammankopplat med ytans riktning samt lutning relativt horisontalplanet. En yta vänd i sydlig riktning resulterar i större instrålning över ett år, men ytans lutning avgör hur fördelningen av solinstrålning varierar under året. En lutning mellan 0 och 30 grader relativt horisontalplanet ger en kraftig ökning av instrålning under vår och sommar, dock med en kraftig nedgång under höst och vinter. En lutning på 90 grader ger jämnare fördelning av

17

instrålningen under året, med lägre toppar under sommaren samtidigt som minskningen under höst och vinter inte är lika påtaglig. Maximal

solinstrålning uppnås vid sydlig riktning och en lutning på cirka 40 grader.

Solstrålningen varierar även under dygnet där den under nattetid är nästintill obefintlig [41]. Solinstrålning delas in i direkt och diffus instrålning, som tillsammans utgör globalinstrålningen. Direktinstrålningen är den strålningen från solen som vinkelrätt når jordens yta. Den diffusa instrålningen är den spridda solinstrålningen som kommer från molnen och himlen [42].

Solinstrålning kommer främst in i byggnaden via fönstren. Huvuddelen av instrålningen sker under tider av direkt solinstrålning men även den diffusa instrålningen bidrar. Solinstrålning för fönsterglas delas upp i följande kategorier:

• UV-transmission: Denna del utgörs av UV-strålning och släpps endast igenom fönsterglaset i relativt låga mängder.

• Ljustransmission: Utgörs av det synliga solljuset. 90% släpps igenom av fönsterglaset.

• Solenergitransmission: Denna del utgörs av delarna direkt

solenergitransmission som är jämförbart med ljustransmission, och en sekundärdel som utgörs av energi från

värmeöverföringsprocesser.

Den största delen av solinstrålningen som träffar fönsterglaset transmitteras.

Resterande delar som inte transmitteras reflekteras samt absorberas av fönsterglaset [43].

2.5.2 Solceller

Solceller utnyttjar den fotovoltaiska effekten som innebär att ljus tillför elektroner till ett halvledarmaterial. Kisel är det vanligast förekommande materialet där solcellen innehåller två sådana lager. Genom att tillföra atomer från andra material till kisellagren kan de få olika elektronladdningar. Det kallas att dopa och vanligt förekommande material är fosfor, bor och arsenik.

Det är viktigt att olika material används till varje kisellager då syftet är att ge dem olika laddningar. Den ena sidan sägs då vara n-dopad och den andra p- dopad. Den p-dopade sidan har ett underskott på elektroner medan den n- dopade har ett överskott. När ljuset träffar solcellen alstras en spänning mellan de två sidorna och elektroner från den n-dopade sidan strömmar över

18

till den p-dopade som då får ett överskott av elektroner, samtidigt upplever den n-dopade sidan ett underskott [41].

En vanligt förekommande variant av solceller är kristallina solceller. De tillverkas av tunna kvadratiska kiselplattor och finns i varianterna polykristallina och monokristallina.

Polykristallina solcellsmoduler är spräckliga då de består av flera kristaller medan monokristallina har ett mer homogent utseende då de tillverkas av en enda kristall. Solceller består av ett flertal så kallade celler, där det vanligaste antalet celler för en solcellsmodul är 60st, med fördelningen 6x10. Varje cell ger en spänning på 0,5–0,7 volt och vanligt förekommande

spänningar för en solcellsmodul är 32V. Vanligt

förekommande strömstyrka är 8–9 ampere och vanligt förekommande effekter för en solcellsmodul är 260-320Wp. Modulverkningsgraden ligger vanligtvis på 14–16% för polykristallina solcellsmoduler och 16–20% för

monokristallina [41].

Figur 7. Kristallin solcellsmodul [44].

Skuggning är ett förekommande problem för kristallina solceller då det leder till att mängden solinstrålning minskar. Det leder till en minskning av

mängden producerad energi från solcellerna som kan vara procentuellt större än den yta av solcellsmodulen som utsätts för skuggning. Det beror på att solcellernas individuellt låga spänning kräver att de seriekopplas. Då samma ström passerar igenom cellerna innebär skuggning av en enskild cell att strömmen inte kan passera till nästkommande cell, vilket leder till att fler celler än de som är skuggade upphör att producera elenergi. Skuggade celler riskerar att förstöras när strömmen inte kan passera och istället omvandlas till värme i den skuggade cellen. Problemet med skuggning kan reduceras med hjälp av by-pass-dioder som tillåter strömmen att hoppa över skuggade delar av en solcellsmodul [45].

Solcellsanläggningar som inte är anslutna till elnätet kallas för off-grid- anläggningar.

Dessa är ofta relativt små likströmsanläggningar på 12–24 volt då de ofta används för till exempel sommarstugor tillsammans med batterilager.

Batterilager används till att lagra solel för tillfällen då elanvändningen är större. En laddningsregulator behövs för att säkerställa att batteriet laddas

19

med korrekt spänning. För större off-grid-anläggningar där 230 volt växelspänning ska användas krävs en växelriktare. En växelriktare

omvandlar den likström som solcellsmodulerna genererar till växelström.

Den fungerar även som en övervakare av systemet samt ser till att solcellsmodulerna alltid belastas optimalt för att maximera mängden genererad el [46].

3 Metod

De flesta beräkningar kommer genomföras med hjälp av

energisimuleringsprogrammet IDA Indoor Climate and Energy från EQUA.

För vissa delar kommer andra beräkningsprogram vara nödvändiga att nyttja då IDA ICE inte

går ner på produktnivå, och då behöver specifika produkters specifikationer och prestanda erhållas från tillverkaren för att sedan föras in i IDA ICE. Detta har gjorts med hjälp av handledare då tillgång till vissa av dessa sidor kräver ett företagsanvändarkonto.

3.1 Konstruktion av hus

Huset kommer konstrueras efter en modell erhållen av

organisationen. Nedervåning i modellen har yttermåtten 8,57m x 3,5m, vilket ger en ytterarea på cirka 30m². Övervåningen har yttermåtten 4,29m x 3,5 m, vilket ger en ytterarea på cirka 15 m².

Figur 8. Modell av huset som mottagits från organisationen.

20

Huset kommer fungera som en modell där värme -och energisimuleringar kan genomföras. Endast funktionsmässiga egenskaper är av betydelse, som yttermått och placering av dörrar och fönster. När det kommer till husets fönster har endast förslag angående deras antal och storlek mottagits, då det finns en förståelse för att eventuella ändringar kan behöva göras för att ge huset bättre värmemässiga egenskaper. För att tydliggöra arbetet har våningsplanen delats in i två olika zoner. Våningsplan 1 utgör zon 1 och våningsplan 2 utgör zon 2. Det är viktigt att husets design lämnar lediga ytor där solceller kan monteras, då solpanelerna måste monteras externt på husets fasad eller tak. Även husets orientering är av betydelse för solpanelernas elproduktion.

3.2 Dimensionering av klimatskal

Klimatskalet kommer utformas med målet att uppnå ett lågt genomsnittligt u-värde, i förhoppning att minimera förekommande värmeförluster.

Detta kommer speglas i materialvalen som görs. En typ av isolering med lågt lambdavärde är Kooltherm K12 av tillverkaren Kingspan. Den har ett lambdavärde på cirka 0,020 W/m K [47]. Denna isolering kommer användas för isolering av tak och väggar. Lambdavärden benämns som termisk konduktivitet i IDA ICE. Då ett tjockare isolerskikt ger lägre värmeförluster är detta att föredra, men det innebär även att väggarna blir tjockare vilket leder till att den tillgängliga golvytan blir mindre. Enligt överenskommelse med organisationen får husväggarnas totala

tjocklek inte överstiga 300 mm.

En vägg av denna tjocklek möjliggör ett isolerskikt på 240 mm, vilket förutsätts vara nödvändigt för att ge huset så goda förutsättningar som möjligt.

Då fönster står för en betydlig del av byggnaders värmeförluster är det viktigt att försöka minimera dessa förluster genom att välja fönster med bra värmeegenskaper. Då IDA ICE har begränsade funktioner när det kommer till fönsterkarmar kommer fönstermodellen bestämmas genom beräkningar i programmet Spectrum online. Det är fönsterglastillverkaren Pilkingtons egna beräkningsprogram, där alla parametrar som ingår i deras fönsterglas kan bestämmas. Följande delar är viktiga när det kommer till design av fönster [11]:

• Glas

• Distansprofiler och deras material

• Karmens U-värde

• Infästningarnas köldbrygga

21

Övriga fönsterkomponenter och deras köldbryggedetaljer har valts från hemsidan Passive House Institute och deras Komponentdatabas [48]. Den totala fönsterytan är även av betydelse då en mindre sådan ger bättre förutsättningar när det kommer till husets förmåga att behålla den värme som värmesystemet tillför.

Mindre ändringar av klimatskalets utformning kan efterhand vara nödvändig för att uppnå högre värmeprestanda. Antal fönster är den första detaljen av klimatskalet som kommer att ses över om behovet uppstår. Den avgörande faktorn för detta är värmesimuleringarnas resultat. Det är på förhand inte självklart att en lösning som tillåter total självförsörjning är möjlig att uppnå med rådande svenska årstider.

Övriga byggnadsmaterial finns tillgängliga i IDA ICE. Dörrar är en annan byggnadsdel som bidrar till värmeförlusterna. Genom att välja en dörr utan fönsterglas kan förlusterna minskas då dörren får ett lägre u-värde [11]. En sådan dörr kommer väljas till zon 1. I zon 2 kommer däremot en glasdörr monteras för att öka ljusinsläpp. Den förutsätts ha samma egenskaper som husets övriga fönster. För att ge huset bättre förutsättningar när det kommer till att hålla en tillräckligt hög inomhustemperatur görs bedömningen att all värme som solinstrålningen tillför genom fönster behöver nyttjas. För att möjliggöra det kommer all eventuell överskottsvärme som uppstår behöva ventileras bort genom att öppna dörrar eller fönster.

3.3 Dimensionering av värmesystem

När klimatskalet är färdigställt ska husets värmeeffektbehov simuleras. Det erhållna effektbehovet lägger sedan grunden för de krav som ställs på värmesystemet. Det är den högsta effekttoppen under året som avgör hur stort värmeeffektbehovet är.

Effektbehovet kommer simuleras för ett tomställt hus utan internvärme, vilket kan väljas i IDA ICE genom att ange den procentuella internvärme som förekommer.

22

Figur 9. Simulering av effektbehov vid 0% internvärme.

För att ta hänsyn till att överskottsvärme vädras bort kommer en funktion benämnd som ”frikyla vädring” i IDA ICE implementeras. Den fungerar som en ideal kylare och imiterar att fönster öppnas. Det kommer bidra till ett mer rimligt värde på värmeeffektbehovet [11]. Huset ska hålla en

inomhustemperatur på 21℃. Simuleringen görs för varje timme över ett helt år. Som val av värmesystem kommer två modeller med olika värmekällor att undersökas. Målet är att ta reda på vilken av värmekällorna som är bäst lämpad att användas till uppvärmning av huset. Båda värmekällorna kommer förse samma typ av distributionssystem med värme. De två modellerna är:

• Pelletsmodell: Denna modell använder en pelletspanna som värmekälla. Pelletspannan är en relativt enkel funktion i IDA ICE där den visas som en generisk värmare där bränsle och

verkningsgrad kan väljas. Pelletspannan antas inte använda någon el.

• Värmepumpmodell: Denna modell använder en värmepump med vatten som värmekälla, vilket är en rimlig modell att undersöka med husets rådande förutsättningar i åtanke. I IDA ICE kan värmebärare, effekt och COP väljas. Värmekällans

temperaturvariation under året kan också väljas.

23

Figur 10. Vattnets temperaturvariation under året.

Ett radiatorsystem kommer användas till att distribuera värme inom huset.

Radiatorsystemet använder vatten som värmebärare. Värmeproducenterna kommer vara kopplade till en ackumulatortank vars vatten värms upp och sedan pumpas vidare till radiatorsystemet. Antalet radiatorer bestäms av värmeeffektbehovet. Inga specifika produkter har valts ut för att motsvara värmepump eller pelletspanna då det inte har bedömts vara nödvändigt.

Systemet kommer kompletteras av ett FTX-system som enbart fungerar som ett komplement till det övriga värmesystemet. Då toalett kommer finnas i varje våning bedöms varje våning ha ett tilluftsbehov på cirka 10 l/s, vilket för hela huset ger ett totalt tilluftsflöde på 20 l/s [49]. Då det är svårt att hitta ett FTX-system med så liten kapacitet kommer dimensioneringen av systemet ske med fyra hus i åtanke, då det även är så systemet kommer appliceras i verkligheten. Vid anpassning till fyra hus blir det totala tilluftsbehovet istället 100 l/s. Frånluftsflödet kommer vara samma som tilluftsflödet. Eventuell differens för SFP mellan tilluft- och frånluftsfläkt bortses från. FTX-systemet kommer använda en roterande värmeväxlare, vilket är möjligt då inget kök

24

kommer finnas i huset. Värmeväxlaren behöver under vintertid avfrostas vid låga temperaturer. Det görs genom att verkningsgraden försämras vid en viss temperatur för att förhindra isbildning på värmeväxlaren. Roterande

värmeväxlare tillåter en lägre avfrostningstemperatur, där -15 grader är en vanligt förekommande temperatur [11].

3.4 Dimensionering av energiproduktion

Energiproduktionen dimensioneras efter husets energibalans. När man beräknar energibalansen måste man ta hänsyn till all energiförbrukning som sker då det visar hur mycket energi som behöver produceras för att möta det behov som finns. Det innebär att hänsyn tas till internvärmen som sätts till 100% [11].

Figur 11. 100% internvärme.

I IDA ICE finns en funktion för att välja brukarschema för huset. Det innebär att man kan välja under vilka timmar som människor befinner sig i huset och avger värme samt när lampor och elektronik används. Brukarschemat är användbart för att simulera ett normalt användar- och levnadsmönster [11].

25

Figur 12. Brukarschema för lampor och hemelektronik.

Figur 13. Brukarschema för internvärme från människor.

Förutom brukarschemat behöver även en uppskattning av

energiförbrukningen göras. Antagandet görs att energiförbrukningen följer Boverkets föreskrifter för småhus om energianvändning vid normalt

brukande under ett normalår, som uppgår till 30 kWh/m² och år [50]. på så sätt simuleras en uppskattningsvis rimlig energiförbrukning. När det kommer till val av system för elproduktion kommer en solcellsanläggning dimensioneras. Den kommer dimensioneras efter tillgänglig monteringsyta på huset samt rådande energibehov. Dimensioneringen kommer inte göras för att täcka hela energibehovet då det varierar mycket under året samtidigt som även solinstrålningen varierar. Hänsyn kommer istället tas till att

solcellsanläggningen samspelar med ett solcellsbatteri. Dimensioneringen blir

26

därför mer komplex och mer av en uppskattning. Val av värmesystem kan även antas vara en påverkande faktor när det kommer till dimensioneringen då till exempel värmepumpar förbrukar elenergi vid drift.

Solcellsanläggningen ska monteras på husets fasad. Enligt figur 8 ses att särskilt den övre delen av den ena kortsidan lämpar sig för detta. Vid konstruktion av huset kommer valet göras att rikta denna vägg mot söder.

Det ger anläggningen en 90-gradig vinkel mot söder, vilket görs med

förhoppning om att främja energiproduktionen under vinterhalvåret då solen står lågt på himlen [11]. Anledningen till detta är att solinstrålningen är lägst under denna period och slutsatsen då kan dras att även mängden producerad solenergi följer det mönstret. Anläggningen kommer i första hand utgöras av sex solpaneler med en individuell yta på 1,7 m² och utgör tillsammans en yta på 10,2 m². Storleken på anläggningen kan komma att ändras i efterhand då det på förhand inte är säkert att denna storlek ger en fungerande lösning.

Antagandet görs att ingen skuggning förekommer med tanke på husets placering.

Anläggningen kommer dimensioneras genom att utföra simuleringar. IDA ICE har vissa begränsningar när det kommer till tillgängliga indata för

solcellsanläggningar. Det går enbart att välja solpanelernas placering, storlek, lutning och overall efficiency, vilket är anläggningens totala verkningsgrad.

Det går inte att ange specifikationer för enskilda komponenter som ingår i anläggningen, där både solpaneler och växelriktares verkningsgrader är relevanta [11]. Därför kommer anläggningen först simuleras i

gratisprogrammet PV-sol, där märke samt modell av solpaneler och

växelriktare kan väljas. Det innebär att systemet speglar verkligheten bättre när produkter som finns på marknaden väljs samt att produkternas

verkningsgrader kan beaktas när de ingår i samma system. Den valda solpanelsmodellen för arbetet är LG335N1C-A5. Det är en monokristallin solpanel med en effekt på 335 W och en modulverkningsgrad på 19,57%.

Solpanelens dimensioner är 1686 x 1016 x 40 mm, vilket ger en yta på cirka 1,7 m² [51]. Den valda växelriktarmodellen är en Fronius Galvo 2.0–1. Den har en verkningsgrad på 94,9% [52]. I PV-sol kan ett årligt förbrukningsmönster väljas, vilket energiproduktionen från solpanelerna sedan jämförs med i simuleringsresultatet. Detta förbrukningsmönster är dock inte lika detaljerat och pålitligt som den förbrukningsfunktion som finns i IDA ICE [53]. Av den anledningen kommer PV-sol endast användas för att ta fram den totala mängden producerad elenergi. När simuleringen i PV-sol gett anläggningens produktion kan den beräknade produktionen föras in i IDA ICE. Sedan kan elproduktionen från solpanelerna simuleras efter ett det valda årliga

förbrukningsmönstret i IDA ICE. Resultatet av elproduktionen kommer

27

sedan inkluderas i husets totala energibalans [11]. Simuleringen görs för varje timme över ett helt år. IDA ICE tar hänsyn till all energi som produceras och förbrukas, vilket även innefattar energin som finns i den pellets som

pelletspannan förbrukar. IDA ICE visar endast den totala ytan med

solpaneler och inte separata solpaneler. Det innebär att solcellsanläggningen i programmet visas som en enda stor solpanel monterad på huset.

3.5 Dimensionering av batterilager

Då solinstrålningen varierar under året samt under dygnet kommer den momentana elproduktionen från solpanelerna inte alltid täcka den

momentana elförbrukningen. Under andra perioder kommer produktionen vara högre än förbrukningen och ett överskott istället uppnås. På samma sätt som en nätansluten solcellsanläggning kan skicka ut överskottet på elnätet kan även elektricitet hämtas från nätet när produktionen från anläggningen understiger energiförbrukningen. För ett off-grid-system finns inte det alternativet och istället sker ett strömavbrott. Genom att lagra

överskottsenergi med hjälp av ett batteri när produktionen är hög för att sedan använda den lagrade energin när förbrukningen är högre än

produktionen kan sannolikheten för att ett strömavbrott ska inträffa minskas.

För att säkerställa att tillgång till energi finns under hela året kommer möjligheten att lagra energi behövas oavsett vad simuleringsresultaten för elproduktionen visar. Detta beror på att avvikelser kan förekomma samt att solinstrålningen är nästintill obefintlig under nattetid. Däremot kommer simuleringsresultaten avgöra hur stor lagringskapacitet som krävs.

Lagringsbehovet kommer troligtvis att se olika ut för de två värmesystemen då värmepumpens driftenergi resulterar i att förhållandet mellan produktion och förbrukning ser annorlunda ut jämfört med pelletspannan, som inte förbrukar någon elenergi vid drift. Lagringskapaciteten kommer utgå från en specifik modell av solcellsbatteri från tillverkaren Fronius. Det finns ett antal olika storlekar på Fronius solcellsbatterier i omfånget 3,6 kWh till 9,6 kWh [54]. Ett batteri med lagringskapacitet på 9,6 kWh kommer undersökas för båda modellerna.

IDA ICE har ingen inbyggd funktion för dimensionering av batteri. För att dimensionera rådande lagringsbehov kommer istället mätdata från IDA ICE föras över till Microsoft Excel. Den årliga dygnsbalansen för elektricitet kommer utgöra grunden för beräkningarna av lagringsbehovet för varje modell. Dygnsbalansen visar vilken av produktion eller förbrukning som är högst under varje dygn under ett år. Genom att jämföra varje dygns elbalans med batteriets tillgängliga lagringsutrymme kan ett diagram ställas upp som visar alla dygn där solcellsanläggningen tillsammans med batteriet klarar av