Ett självständigt arbete i Energisystem 1FA311 15HP
Energieffektivisering av kulturbyggnaden Biotopia
Modellering av en byggnad med simulerade energieffektiviseringsåtgärder där kulturvärden ska bevaras
Linda Goude Hanna Granström Benjamin Hedlund Peters
Daira Klucis Lövström Louise Lönn Oskar Olsson Samuel Sjöqvist Olivia Winestedt Handledare: Jonas Fransson
Nyckelord- Energieffektivisering, kulturbyggnad, k-märkning, q-märkning, isolering, fönster, solceller, renovering, kulturmärkt
Uppsala
2021-05-20
Abstract
The purpose of this project was to examine how the cultural heritage building Biotopia can optimize its energy usage with 40 % by implementing different measures, without affecting the cultural values of the building. Furthermore, an economical evaluation has been done, to ensure that the measures are a reasonable investment. The project was done by the request of the property owners Ihus and STUNS Energy. To accomplish this the properties energy usage and production was modelled in the software VIP-Energy and PV*SOL. A literature study was also done to research the possible and allowed actions to implement. The measures that were found to be suitable was to install an extra window pane in the old windows, to add additional insulation to the attic and basement level of the extra building
Konservatorbostaden and to install solar panels on a parking slot or alternatively on the modern additional building. Additional insulation of the facade was also modeled to visualize future possibilities if new techniques are found or if the current regulations change. The results showed an energy saving of 32 % if the allowed actions are taken and 56 % if the facade is insulated and the windows are completely renewed. All the measures that are
allowed to be taken to energy optimize the building was found to be economically viable. The solar installations were found to be reasonable to implement on the parking slot or the
modern additional building, provided that it is legally allowed.
Sammanfattning
Syftet med denna rapport var att undersöka vilka åtgärder som kan utföras för att
energieffektivisera kulturbyggnaden Biotopia med 40 % utan att dess kulturvärden påverkas negativt. Dessutom har en ekonomisk rimlighetsbedömning av åtgärderna utförts. Detta gjordes på uppdrag av fastighetsägarna Ihus samt STUNS Energy. Studien har utförts genom modellering av byggnaderna i VIP-Energy och PV*SOL samt en litteraturstudie för att kartlägga vilka energieffektiviseringsåtgärder som kan göras och vilka som får göras. De åtgärderna som visade sig vara genomförbara är att installera en isolerruta i de äldre fönstren, tilläggsisolering av vind och källarvåning i samband med dränering på den tillhörande
byggnaden Konservatorsbostaden samt installering av solceller på en närliggande parkeringsruta alternativt den modernare tillbyggnaden. Dessutom modellerades
tilläggsisolering av fasaden för att visualisera förbättringsmöjligheterna om ny teknik eller andra regelverk blir aktuella i framtiden. Resultatet visade en energibesparing på 32 % om enbart de tillåtna åtgärderna genomförs och 56 % om även fasaden isoleras och fönstren byts ut totalt. Samtliga åtgärder som tillåts enligt nuvarande regelverk bedömdes vara ekonomiskt rimliga. Solcellsinstallationerna bedöms vara rimliga att utföra på den modernare
tillbyggnaden samt en närliggande parkeringsruta, förutsatt att detta är administrativt genomförbart.
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
2. Metod ... 1
2.1 Teori ... 1
2.1.1 Kulturvärden ... 1
2.1.2 Nuvärdesmetoden ... 2
2.1.3 Energieffektiviseringsåtgärder ... 3
2.2 Modellering ... 7
2.2.1 Kartläggning av byggnaden och teknisk data ... 7
2.2.2 VIP- Area ... 7
2.2.3 VIP-Energy ... 8
2.2.4 PV*SOL... 8
3. Resultat ... 8
3.1 Energiberäkningar ... 8
3.1.1 Biotopia ... 9
3.1.2 Konservatorbostaden ... 10
3.1.3 Energibesparing för båda byggnaderna ... 10
3.2 Solceller ... 11
3.2.1 Tillbyggnad ... 11
3.2.2 Konservatorbostad ... 12
3.2.3 Parkering ... 12
3.2.4 Sammanslagning av åtgärder ... 12
3.3 Ekonomiska beräkningar ... 13
3.3.1 Energieffektiviserande åtgärder ... 13
3.3.2 Solceller ... 14
4. Diskussion och slutsats ... 14
5. Referenser ... 17
1
1. Inledning
Världen står inför en rad utmaningar i och med den kommande energiomställningen. Det krävs gemensamma insatser inom flera sektorer, allt ifrån energisystem till
privatpersoner. Lokala energisystem är en viktig del i energiomställningen, men något som är minst lika viktigt är att energieffektivisera redan befintliga byggnader för att minska
energiförbrukningen.
Målet med detta arbete är att energieffektivisera den kulturhistoriska byggnaden Biotopia i Uppsala. Biotopia byggdes på tidigt 1900-tal och är ett biologiskt museum. På uppdrag av Ihus och STUNS Energy ska ett förslag på energieffektiviserande åtgärder som minskar energibehovet med 40 % tas fram. Detta ska främst göras med hållbara och innovativa renoveringar av klimatskalet som inte förändrar byggnadens kulturvärde eller påverkar det termiska klimatet negativt. Åtgärderna som tas fram ska diskuteras ur ett tekniskt
rimlighetsperspektiv och även vara ekonomiskt genomförbara.
2. Metod
Följande rapport har med hjälp av en teoretisk bas över åtgärder modellerat olika
energibesparingsalternativ för att bygga en uppfattning om hur stor energibesparing som kan göras. Nedan följer en sammanställning över den teoretiska basen samt metoden
modelleringen och beräkningarna har följt.
2.1 Teori
Teorin som använts i projektet bygger främst på vilka restriktioner som finns för byggnaden samt vilka energibesparingsåtgärder som skulle kunna utföras. Den teori som legat som bas för rapporten redovisas nedan.
2.1.1 Kulturvärden
I en stadsbild och i ett område spelar byggnaders karaktär, egenskap och vision en betydande roll. De ger området sin säregna prägel och ger den en identitet. Därför är det viktigt att stor hänsyn till detta tas vid ombyggnationer och ändringar. Byggnaden Biotopia är av
kulturhistoriskt värde och har många detaljer i fasad, interiör, konstruktion med mera. För att ta hand om och bevara dessa byggnader på bästa sätt finns det lagar, projekt och
specifikationer att ta hjälp av.
2.1.1.1 Lagar och märkning
Det finns flera lagar som rör byggnader och byggnationer, alla byggnader hanteras av Plan- och bygglagen (SFS 2010:900), förkortat PBL. Förvanskningsförbudet och varsamhetskravet är två delar i PBL som påverkar ändringar i kulturhistoriska byggnader.
Förvanskningsförbudet säger att en kulturhistorisk byggnad som är särskilt värdefull inte får förvanskas. Detta gäller för alla typer av förändringar och dess huvudsakliga syfte är att skydda värdefulla egenskaper hos byggnaden. En sakkunnig kan behöva konsulteras för att kartlägga värdena hos byggnaden. Varsamhetskravet visar på att ändringar av en byggnad ska
2 ske varsamt och med hänsyn till karaktärsdrag för den specifika byggnaden (Klucis Lövström 2021).
Specifika bestämmelser för enskilda kulturhistoriska byggnader är det kommunen som hanterar. Om en byggnad har vissa bestämmelser angående hantering och förändring av byggnaden kan detta visas i kommunens detaljplan. Två vanliga begrepp för hantering av kulturhistoriska byggnader är q- och k-märkning. Dessa märkningar hanteras inte av någon lag utan har som syfte att lyfta fram det kulturhistoriska värdet i byggnaderna. q-
märkningen visar att byggnaden är av kulturhistoriskt värde och inte får förvanskas. k- märkningen visar att vid ändringar måste speciell hänsyn tas till karaktären och det kulturhistoriska värdet hos en byggnad (Klucis Lövström 2021).
2.1.1.2 Specifikt för Biotopia och Konservatorbostaden
Som nämnt är dessa märkningar av stor betydelse och en utredning kring objektens märkning krävs. I detaljplanen angående bestämmelserna hittas märkningar som påverkar projektet, dessa redovisas i Tabell 1 (Länsstyrelsen Uppsala Län u.å.). Denna utredning kring märkningar genomsyrade hela arbetet och utgjorde projektets systemgränser.
Tabell 1: Märkningar av Biotopia och Konservatorbostaden som påverkat projektet
Märkning Betydelse
k1 Fasaden ska vara slätputsad i kulör lika ursprungligt så att putsornamentiken framträder (Gäller även Konservatorbostaden).
Utvändig tilläggsisolering är ej tillåten. Tak ska vara av svart, falsad plåt.
Om- och tillbyggnader ska föregås av en antikvarisk förundersökning.
Byggnadens karaktärsdrag ska beaktas vid underhållsarbeten samt om- och tillbyggnader.
q3 Fast interiör såsom t.ex. trappor, listverk, ursprungliga ventilationsgaller, väggfasta bänkar, väggpanel och räcken framför dioramorna ska bevaras.
Dioramornas placering i byggnaden, utformning och tillhörande målningar ska bevaras.
2.1.2 Nuvärdesmetoden
En del av detta projektarbete var att utvärdera huruvida de föreslagna
energieffektiviseringsåtgärderna är ekonomiskt genomförbara. Denna utvärdering gjordes i huvudsak med nuvärdesmetoden, den metod som uppdragsgivaren Ihus använder då de gör ekonomiska kalkyler. Även återbetalningsmetoden användes för att resultaten skulle kunna jämföras. Nuvärdesfaktorn beskrivs av Ekvation 1:
𝐼(𝑟𝑘,𝑛) = 1 − (1 + 𝑟𝑘,𝑛)−𝑛
𝑟𝑘,𝑛 Ekvation 1
Där rk,n är kalkylräntan, vilket i detta fall är avkastningskravet från uppdragsgivaren Ihus, och n är investeringens förväntade livslängd. Kalkylräntan behöver korrigeras med en faktor för
3 att matcha den relativa energiprisökningen jämfört med inflationen (Abel & Elmroth 2016 s.
255), detta görs med Ekvation 2:
𝑟𝑘= 𝑟𝑘,𝑛− 𝑞 Ekvation 2
Där är q den relativa årliga energiprisökningen och rk är den korrigerade kalkylräntan. Med den korrigerade kalkylräntan kan nuvärdessumman beräknas vilket är vad
investeringskostnaden jämförs med för att avgöra om investeringen är lönsam eller ej. Enligt Ekvation 3 blir nuvärdesumman:
𝐴0 = 𝐴𝑛𝐼(𝑟𝑘) > 𝐵0 Ekvation 3
Där A0 är nuvärdesumman, An är de årliga intäkterna från investeringen och B0 är
investeringskostnaden. Den andra metoden som användes för att komplettera resultatet från nuvärdesmetoden var återbetalningsmetoden med vilken återbetalningstiden för investeringen bestäms genom att jämföra de årliga intäkterna eller besparingarna med
investeringskostnaden.
Den indata som krävdes för att göra denna ekonomiska utvärdering var varje enskild åtgärds förväntade livslängd, kalkylräntan, korrigeringsfaktorer för elektrisk energi och fjärrvärme, den förväntade årliga energibesparingen för varje enskild åtgärd samt elektrisk energi- och fjärrvärmepris. Kalkylräntan erhölls från Ihus och var 6,5 % medan korrigeringsfaktorerna antogs vara 2 % för elektrisk energi och 1 % för fjärrvärme (Olsson 2021). Även det
elektriska energipriset på 1,10 kr/kWh och fjärrvärmepriset på 0,82 kr/kWh erhölls från Ihus.
Vid beräkningar av energieffektiviserande åtgärder har alla åtgärder enbart påverkat mängden fjärrvärme som behövts köpas in, således har enbart fjärrvärmepriset använts för att beräkna besparingarna. Detta motiveras av energistatistiken för byggnaderna som erhölls av
uppdragsgivaren. Undantaget är solceller som enbart har påverkat mängden inköpt elektrisk energi och därmed har endast det elektriska energipriset använts för alla beräkningar som har med solceller att göra.
2.1.3 Energieffektiviseringsåtgärder
För att energieffektivisera Biotopia har en rad olika energieffektiviseringsåtgärder undersökts genom inläsning av litteratur samt samtal med företag och experter. De åtgärder som anses mest relevanta för byggnaden redovisas nedan.
2.1.3.1 Fönster
Äldre en- och två-glasfönster är inte lika energieffektiva som modernare tre-glasfönster då de moderna fönsterna generellt är tätare och har bättre glas (Ståhl et al. 2011). Biotopia har idag främst två-glasfönster. Den k-märkning som Biotopia har innebär att nuvarande fönster till utseendet inte får förändras, vilket innebär att varken karm eller fönsterglas får bytas. Med anledning av detta är det lämpligast att isolera genom insättning av en extra isoleringsruta på
4 insidan av befintliga rutor. Det ger inte en lika stor förbättring som helt nya fönster, men är en avsevärd förbättring mot nuläget (Ståhl et al. 2011). Ett exempel på isoleringsruta som kan användas är Pilkingtons K Glass™ N (Goude et al. 2021). Valet av just denna isoleringsruta beror på att den har goda egenskaper och är utbredd på marknaden. I Tabell 2 syns
specifikationer för de befintliga två-glasfönsterna utan isolerruta samt kombinationen då en extra isolerruta används.
Tabell 2: Tabell över G- och U- värden för isolerade fönster
Fönstertyp G U [W/m2K]
Befintliga två-glasfönster 0,68 2,8
Isolerruta + befintligt fönster 0,56 1,2
Tillvägagångssättet som G- och U-värdet för kombinationsfönstret tagits fram är genom användandet av Pilkington Spectrum, en applikation där fönstervärden kan simuleras. Med denna fönsterkonfiguration erhölls G-värdet 0,56 och U-värdet 1,2 W/m2K, se Tabell 2 för värden och underrapporten för vidare redovisning av tillvägagångssättet. Metoden att tilläggsisolera fönster invändigt kan enligt de tre olika företagen Nordwind, Fönstersystem AB samt Grundels fönstersystem, som alla använder liknande fönsterisoleringsmetoder, ge ett U-värde på 1,2 W/m2K. Detta styrker att resultatet från simuleringen i Pilkingtons applikation är rimlig (Goude et al. 2021).
Ytterligare ett sätt att förbättra fönstrets värmeisolering är genom att lägga till en nattisolering, då det är på natten förlusterna är som störst. Detta kan göras genom att en persienn eller rullgardin installeras antingen på insidan av eller i fönstret. Viktigt att notera är att denna isolering bara bör användas då den inte blockerar värmeintag från solinstrålning (Ståhl et al. 2011). Av den anledningen är det värt att överväga att täcka av de fönster som i nuläget är täckta och installera persienner, för att kunna släppa in solinstrålning då det inte stör verksamheten.
2.1.3.2 Isolering
Isolering av olika metoder är relativt enkla och effektiva åtgärder för att minska
värmeförlusterna i en byggnad. För Biotopia, som är en kulturhistorisk byggnad, finns det begränsningar som säger att fasaden inte får ändras. Detta gör att det kan vara svårt att tilläggsisolera byggnaden. Isolering kan dock genomföras om det utförs på ytor som har begränsad synlig exponering.
2.1.3.3 Tilläggsisolering i Konservatorbostaden
Tilläggsisolering av vindbjälklag är en enkel åtgärd för att energieffektivisera. I dagsläget är vinden på Konservatorbostaden isolerad med 150–200 mm kutterspån. Ett 150 mm lager kutterspån på 25 mm råspont har ett U-värde på 0,6 W/m2K (Goude et al. 2021).Vid
tilläggsisolering måste det säkerställas att inte varm och fuktig inomhusluft strömmar upp på vinden och orsakar fuktskador (Ståhl et al. 2011). För att säkerställa att analysen blir korrekt antas det att kutterspånen tas bort och enbart nytt isoleringsmaterial används.
5 Två vanligt förekommande moderna isoleringsmaterial är mineralull och cellulosafiber.
Isoleringsmaterialens U-värde är beroende på tjockleken som enligt rekommenderad
byggpraxis på mineralull är 400–500 mm. Indata till beräkningen är 450 mm tjock isolering vilket ger ett U-värde för mineralull på 0.09 W/m2K. Cellulosafiber är ett alternativ till mineralull som har likvärdiga isolerförmåga, men kan anses vara mer fördelaktigt ur
miljösynpunkt. Av praktiska skäl har mineralull använts vid modellering (Goude et al. 2021).
Konservatorbostaden har enligt en statusbesiktning utförd i maj år 2020 fuktskador i källarvåningen. För att motverka fuktskadorna bör enligt statusbesiktningen en dränering utföras. Om huset dräneras kan samtidigt ett lager med isoleringsplattor monteras mot källarväggen. Ett extra lager isolering bidrar också till att energieffektivisera byggnaden då värme går ut till omkringliggande mark genom källarväggen.
Ett exempel på isolering som skulle kunna användas är Isovers PM XPS FOAM 300 SL.
Isoleringspanelen kan tillämpas i olika tjocklekar där 100mm var en rekommenderad tjocklek (Goude et al. 2021) vilket ger ett U-värde på 0,36 W/m2K (Isover 2021). För
energieffektiviseringssimuleringen har U-värdet 0,36 W/m2K använts för att ha marginal, då värdet kan variera lite beroende på vilket fyllnadsmaterial som används.
2.1.3.4 Alternativ isolering
Termisk färg är ett alternativ eller komplement till tilläggsisolering vars syfte är att minska väggens U-värde. Den färg som är mest lättillgänglig på marknaden idag heter Termoskydd och produceras av företaget Thermogaia. Färgen har en yta som reflekterar värmestrålning bra och har även små keramiska kulor som leder värme dåligt. Den ska också hjälpa till att dra ut fukt ur väggen om omkringliggande luft är torr (Thermogaia 2012).
Det är osäkert hur väl färgen fungerar i praktiken. En fältstudie från ÅF visade en potentiell energibesparing på ca 10 % medan en annan studie visade att färgen har ingen till liten verkan. Thermogaia rapporterar själva en energibesparing på mellan 6 % och 15 % (Goude et al. 2021).
En annan alternativ isolering är superisoleringsmaterial. Två sorters superisolering har undersökts, vakuumisolerande paneler samt aerogel. Den variant av dessa som är mest relevant för Biotopia är aerogel, då gelen kan användas i en superisolerande puts (SIP). Den superisolerande putsen har under användningen i några europeiska länder rapporterats kunna ge ett sänkt U-värde på mellan 21-71 % beroende på putsens tjocklek (Karim et al. 2020). För en mer djupgående diskussion kring termisk färg och superisolering se Goude et al. (2021).
2.1.3.5 Solceller
Det finns möjligheter att sätta upp solpaneler på kulturbyggnader, men oftast med krav på att de inte ska vara synliga från marken och störa byggnadens utseende. Det kan också vara bra att förankra eventuella beslut hos allmänheten innan en installation utförs. Att montera solceller osynligt är en svår åtgärd på Biotopia då både Konservatorbostaden och
6 huvudbyggnadens tak är synliga från marken. För Biotopia har tre möjliga platser för
solceller undersökts (Goude et al. 2021).
Först har möjligheten att sätta upp solpaneler på det platta taket på tillbyggnaden till Biotopia undersökts. Det platta taket gör att panelerna inte kommer synas särskilt väl från marken och då byggnaden är gjord på 2000-talet är risken att skada de äldre kulturvärdena mindre.
Byggnaden är sydostligt riktad, vilket är fördelaktigt, men för bästa effekt brukar solpaneler riktas i rakt sydlig riktning med lutning på 10°-50°. För platta tak är standarden att luta panelerna 10°-20°, för att göra en avvägning mellan effektförlust och förlorad area av
solpaneler, då lutade paneler skuggar varandra. Det är fördelaktigt att vinkla panelerna något då snö och smuts lättare spolas av och inte skymmer panelerna. Det skiljer enbart ett par procent i effekt på att rikta panelerna i rakt sydlig eller sydostlig riktning vid en lutning på 10°. Därför blir energiförlusten av den minskade panelarean förmodligen större än
energiförlusten av att rikta panelerna i sydostlig riktning (Goude et al. 2021). Det bör också nämnas att det står träd, som potentiellt kan skugga solcellerna vid tillbyggnaden. En skugganalys bör utföras innan en verklig installation påbörjas, då skuggning kan påverka solcellernas produktion negativt (Solar Magazine 2020).
Möjligheten att sätta upp solceller på en av parkeringsrutorna mellan Biotopia och Katedralskolan har också undersökts. Den mittersta av de tre parkeringsrutorna närmast Biotopia har minst träd och problem med skugga, därför har den valts som lämplig kandidat.
I detta fall skulle ett litet parkeringstak byggas varefter solpanelerna sätts upp på det taket.
Detta alternativ kan göra det möjligt att montera solpaneler utan att påverka Biotopia eller de tillhörande byggnaderna.
I båda dessa fall rekommenderas monokristallina solceller, då de både är svarta och något effektivare än sina polykristallina motsvarigheter. De är dock något dyrare och kan vara känsligare för skuggning, vilket kan vara problematiskt om träden skuggar mycket (Solar Magazine 2020). Att de är svarta är fördelaktigt för Biotopia estetiskt, då nuvarande tak är svart. För modelleringen har en solpanel valts med en verkningsgrad på 22,7 % och toppeffekt på 370W. Drygt 22 % verkningsgrad är det som ligger i topp för kommersiella solceller då två olika jämförande hemsidor har listat solceller med en verkningsgrad på 22,6
% respektive 22,8 % som de med bäst effektivitet 2021 (Goude et al. 2021).
Det tredje alternativet som undersökts är tunnfilmssolceller som döljs i plåttaket på
Konservatorsbostaden. Tunnfilmssolceller är inte lika effektiva som konventionella solceller utan har en verkningsgrad på 7–18 %. I denna rapport har Midsummers CIGS solceller med verkningsgraden 15 % valts som exempel till Konservatorsbostadens sydostligt riktade tak, men det finns andra företag som erbjuder liknande lösningar. Dock kräver den här tekniken ofta ett takbyte, vilket gör att detta främst blir intressant om taket har ett renoveringsbehov.
Utförs takbytet enbart för montering av solceller riskerar det bli för dyrt och dessutom svårare att motivera då de kulturhistoriska värdena riskeras att påverkas (Goude et al. 2021).
7 2.1.3.6 Ventilation
Ventilationen i Biotopia består idag av en kombination av FTX-system och självdrag. FTX- system är ett från- och till-luftssystem med värmeåtervinning. Vid en tätning av fönster minskar självdraget vilket kan påverka luftkvalitén och görs det inte en förändring av
ventilationen vid tätning av hus kan det bildas kondens. En oroväckande konsekvens av detta är att byggnaden riskerar att få fuktproblem (Ståhl et al. 2011). Det har undersökts att ändra självdragsventilationen på plan två i Biotopia till ett decentraliserat värmeväxlingssystem.
Denna idé undersöktes ytterligare i kontakt med Claes Nordfeldt, Energy Building, som arbetar med lösningar av decentraliserade ventilationssystem och Tor Broström, Uppsala universitet, som forskar på inneklimat och energieffektivisering av kulturhistoriska byggnader. De anser att byggnaden eventuellt kan hantera förändringen i ventilation med tanke på att det redan finns tre FTX-system. Om ett till ventilationssystem implementeras finns risken att huset överventileras och därmed transporterar bort energi i onödan. Vår rekommendation blir därför att inte utöka ventilationssystemets i Biotopia och efter att renoveringarna har utförts göra en undersökning om luften är fortsatt bra och om ventilationen är tillräcklig.
2.2 Modellering
Detta projekt har baserats till stor del på en modellsimulering av den befintliga bygganden och den energieffektiviserade byggnaden. För att bygga upp denna modell krävdes en grundläggande kartläggning av byggnaden samt dess klimatdata, ventilationssystem och energi. Denna information blev indata till VIP-Area som låter dig bygga upp en modell av ett hus och VIP-Energy som används för att modellera ett hus energiprofil. Solceller är en del av de rekommenderade åtgärderna och därmed har en kalkyl över solceller genomförts. Denna kalkyl utfördes med programmet PV*SOL, ett modelleringsprogram för solceller.
2.2.1 Kartläggning av byggnaden och teknisk data
En grundlig kartläggning av byggnaderna Biotopia och Konservatorbostaden utfördes.
Genom programmet BlueBeam Revu som är ett mätningsverktyg samt ritningar erhölls areor och mått för respektive byggnader. Även en ingående utredning kring byggnadernas
beståndsdelar genomfördes. Till sist kartlades ventilationen, energiprofilen och klimatdata för de båda byggnaderna. Dessa metoder, gjorda förenklingar och antaganden redovisas i Klucis Lövström et al. (2021).
2.2.2 VIP- Area
Storleken och orienteringen av byggdelarna från kartläggningen implementerades i programvaran VIP-Area. VIP-Area utgör en grund för byggnaden som hanteras, till
simuleringsprogrammet VIP-Energy. I datorprogrammet byggdes skalet för byggnaden upp, utan hänsyn till byggdelarnas material och byggnadens egenskaper.
8 2.2.3 VIP-Energy
VIP-Energy användes för beräkning av byggnadernas energiförbrukning. De aktuella byggnaderna modellerades med hjälp av VIP-Energy med detaljer om byggnadernas konstruktion, ventilation, placering, uppvärmningssystem och fönster med mera som inparametrar. Detta simuleringsprogram lämpade sig bra för beräkning av det årliga energibehovet (Gulliksson 2015).
En känslighetsanalys av modellen genomfördes med syftet att undersöka om det fanns några känsliga indata i modellen som vid mindre förändringar ger större utslag. För denna modell valdes känslighetsanalyserna temperaturförändring av 1°C, U-värdes förändring av väggar på 20 % samt 10 % förändring av fönster- och ytterdörrsareor. För mer detaljer se Klucis
Lövström et al. (2021).
2.2.4 PV*SOL
Programvaran PV*SOL som använts till simuleringarna är ett dynamiskt simuleringsprogram med 3D-visualisering. Simuleringarna utfördes för tre olika ytor vilket var tillbyggnaden på Biotopia, Konservatorbostaden och på närliggande parkeringsplats. Egenskaperna och placering för solcellsmodulerna som används för simuleringarna redovisas i Tabell 3.
Tabell 3: Solcellsmodulerna som används till simuleringarna med dess egenskaper
Modell Typ Mått [mm] Effekt [W] Verkningsgrad [%]
Placering
Sunpower- X22
Monokristallin 1046 x 1449 370 22,7 Tillbyggnad
& parkering SolTech
Facade
Tunnfilm (CdTe)
1200 x 600 90 12 Konservator-
bostad För tillbyggnaden på Biotopia kördes tre olika simuleringar för solcellerna där orientering, lutning och antal moduler varierades. Den första simuleringen kördes med maximalt antal moduler som går att installera platt på den tillgängliga ytan. Den andra simuleringen kördes med 10 mindre moduler än den första simuleringen, för att minska risken att solcellerna syns för förbipasserande och därav inte påverka det kulturhistoriska värdet av byggnaden.
Slutligen vinklades modulerna till 30° och placerades mot söder med maximalt antal solceller för denna konfiguration. För tillbyggnaden utfördes även en skuggstudie som redovisas i underrapporten Metod- och modellredovisning, där även metoden för alla simuleringar beskrivs mer ingående (Klucis Lövström et al. 2021).
3. Resultat
I följande avsnitt presenteras resultaten av de åtgärder som simulerats.
3.1 Energiberäkningar
Energiförbrukningen för Biotopia och Konservatorbostaden innan åtgärder beräknades till 190 kWh/m2 respektive 330 kWh/m2. Detta ger en total förbrukning på ca 210 kWh/m2 som kan jämföras med det givna värdet från Ihus på ca 230 kWh/m2. För både Biotopia och
9 Konservatorbostaden simulerades alla åtgärder enskilt och utifrån dessa resultat
konstruerades åtgärdspaket för att undersöka energibesparingspotentialen.
3.1.1 Biotopia
För Biotopia konstruerades två åtgärdspaket. Det första paketet, Energisparpaketet, innebär nya fönster samt avtäckning av fönstren och tilläggsisolering av fasaden. Det andra paketet, Rekommenderade åtgärder, innebär isolerglas samt avtäckning av fönstren. De simulerade åtgärderna för Biotopia presenteras i Tabell 4 och åtgärdspaketens energibesparing i Figur 1.
Energisparpaketet skulle enligt beräkningar ge en ny förbrukning på 82 kWh/m2, vilket skulle innebära en besparing på 107 kWh/m2 det vill säga 57 %. Paketet Rekommenderade åtgärder skulle ge en ny förbrukning på 148 kWh/m2 och innebära en besparing på 42 kWh/m2 det vill säga 22 %.
Tabell 4: Åtgärder som simulerats i VIP-Energy för Biotopia med ny förbrukning och dess energibesparing.
Åtgärd Ny förbrukning [kWh/m2]
Besparing [kWh/m2] Besparing [%]
Nuvarande fönster + isoleringsglas
156,8 32,1 17
Helt nya fönster 152,7 36,2 19
Helt nya fönster + avtäckta
141,7 47,2 25
Nuvarande fönster + isoleringsglas + avtäckta
146,4 42,5 22
Tilläggsisolering av fasad
124,3 64,6 34
Figur 1: Diagrammen visar energiförluster för Biotopia innan åtgärder, med Energisparpaketet och med paketet Rekommenderade åtgärder, taget från VIP-Energy
10 3.1.2 Konservatorbostaden
För Konservatorbostaden simulerades enbart åtgärdspaketet Rekommenderade åtgärder.
Paketet innebär isolerglas i fönstren, tilläggsisolering av vind samt av källarvägg vid dränering. De simulerade åtgärderna för Konservatorbostaden presenteras enskilt i Tabell 5 samt som åtgärdspaket i Figur 2.
Tabell 5: Alla åtgärder som simulerats i VIP-Energy för Konservatorbostaden med ny förbrukning och dess energibesparing.
Åtgärd Ny förbrukning [kWh/m2]
Besparing [kWh/m2] Besparing [%]
Nuvarande fönster + isoleringsglas
315,8 16,3 5
Tilläggsisolering av källarvägg vid dränering
199,9 132,2 40
Tilläggsisolering av vind
280,6 51,5 16
Detta paket skulle enligt beräkningar ge en ny förbrukning på 151 kWh/m2, vilket skulle ge en energibesparing på 182 kWh/m2 det vill säga 55 %. Åtgärdspaketet innehåller endast åtgärder som kan utföras utan att störa de kulturhistoriska värdena.
Figur 2: Diagrammen visar energiförluster för konservatorbostaden innan åtgärder och med de rekommenderade åtgärderna, taget från VIP-Energy
3.1.3 Energibesparing för båda byggnaderna
Om resultaten för Konservatorbostaden och Biotopia sammanställs till en gemensam energibesparing erhålls en energibesparing på 32 % för de Rekommenderade åtgärderna.
Resultatet blir däremot 56 % då Energispaketet implementeras i Biotopia och de Rekommenderade åtgärderna implementeras i Konservatorbostaden.
11 Modellerna för både Biotopia och Konservatorbostaden testades med hjälp av en
känslighetsanalys vars resultat presenteras i Tabell 6.
Tabell 6: Simulering värden för känslighetsanalys presenterat för både Biotopia och Konservatorbostaden med en procentuell förändring.
Åtgärd Temperatur U-värde väggar Fönsterarea + ytterdörrar Byggteknisk
förändring + 1 °C - 1 °C + 20 % - 20 % + 10 % - 10 % Procentuell
skillnad Biotopia
8 % 8 % 10 % 10 % 2 % 2 %
Procentuell skillnad Konservator- bostaden
8 % 8 % 15 % 15 % 1 % 1 %
3.2 Solceller
Solceller simulerades på Biotopias tillbyggnad, Konservatorbostadens tak samt en parkeringsruta.
3.2.1 Tillbyggnad
Tillbyggnaden simulerades både med och utan skuggstudie. Resultaten av skuggstudien redovisas mer ingående i Klucis Lövström et al. (2021).
Om panelerna installeras plant får maximalt 50 stycken paneler plats. Med 50 paneler erhålls en årlig elektrisk energiproduktion på 14,8 MWh/år och den installerade effekten blir 18,5 kW. Om detta minskas till 40 paneler som installeras plant, erhålls en årlig elektrisk
energiproduktion på 11,7 MWh/år och den installerade effekten blir 14,8 kW. Vid placering av solceller mot söder med en lutning på 30° går det att installera 26 moduler. Då erhålls en årlig elektrisk energiproduktion på 7,4 MWh/år och den installerade effekten blir 9,6 kW. För samma simuleringar med skuggstudie minskar elektriska energiproduktionen med 12 % för första scenariot, 13 % för andra scenariot och 14 % för det tredje scenariot.
12
Figur 3: Den elektriska energiproduktionen för de olika konfigureringarna av solceller på tillbyggnaden
Fördelningen av den elektriska energiproduktionen månadsvis över ett år för vardera simuleringar för tillbyggnaden utan skuggstudie redovisas i Figur 3. Den förväntade produktionen visas med den totala elektriska energianvändningen för Biotopia samt Konservatorbostaden under år 2020.
3.2.2 Konservatorbostad
På Konservatorsbostadens sydostligt riktade tak kan totalt 30 moduler installeras. Detta resulterar i en total årlig produktion på 2,9 MWh/år och den installerade effekten blir 3,5 kW.
Den installerade effekten med de rekommenderade solcellerna skulle med samma antal moduler bli 3,9 kW.
3.2.3 Parkering
På parkeringsplatsen kan totalt 84 moduler installeras, vilket innebär 42 moduler på varje takyta. Den årliga produktionen blir 26 MWh/år och den installerade effekten 31,1 kW.
3.2.4 Sammanslagning av åtgärder
Uppdragsgivaren är inte intresserad av att överproducera elektrisk energi. När åtgärderna kombineras finns det endast en kombination som inte resulterar i överproduktion av elektrisk energi. Kombineras installation av solceller på tillbyggnaden med installation av solceller på Konservatorbostaden kommer inte den elektriska energiproduktionen överskrida Biotopias elektriska energianvändning baserat på år 2020.
Vid kombination av solceller på parkeringsplatsen och Konservatorbostaden finns det risk för överproduktion av elektrisk energi vilket definitivt blir fallet i resterande kombinationer. Alla sammanslagningar av åtgärder redovisas i Figur 4 där Biotopias elektriska energianvändning för år 2020 redovisas i ljusblå färg.
13
Figur 4: Den resulterande förväntade elektriska energiproduktionen vid sammanslagning av åtgärderna
3.3 Ekonomiska beräkningar
För samtliga åtgärder som modellerats har en enklare ekonomisk analys utförts, för att bedöma den ekonomiska rimligheten i att utföra energieffektiviseringen.
3.3.1 Energieffektiviserande åtgärder
För de energieffektiviserande åtgärderna som har modellerats för byggnaderna har
ekonomiska kalkyler utförts. Träfönsterna i Biotopia har uppskattats ha en livslängd på 60 år om nödvändigt underhållsarbete utförs. Investeringskostnaden för att renovera och installera isolerglas i de befintliga fönsterna uppskattades till 350 000 kronor. Tilläggsisolering av källarvägg i samband med dränering uppskattades att kosta 4000 kronor per löpmeter medan isolering av vinden med 450 mm mineralull uppskattades att kosta ca 10 000 kronor, båda åtgärderna har en livslängd på 50 år (Olsson 2021). De ekonomiska resultaten för alla åtgärder sammanfattas i Tabell 7.
Tabell 7: Investeringskostnad, nuvärdessumma och återbetalning för de olika energieffektiviseringsåtgärderna
Åtgärd Investerings kostnad [kr]
Nuvärdessumma [kr]
Återbetalningstid [år]
Livslängd [år]
Nuvarande fönster +
isolerglas 350 000 707 000 8,6 60
Isolering av vind (Konservatorbostad)
10 000 139 000 1,2 50
Isolering av källarvägg
(Konservatorbostad)
144 000 357 000 6,8 50
14 3.3.2 Solceller
Vid de ekonomiska beräkningarna av huruvida solceller är ett kostnadseffektivt alternativ för att minska behovet av inköpt elektrisk energi så har en solcellsmodul antagits ha en livslängd på 30 år. Investeringskostnaden för solcellerna på tillbyggnaden och på parkeringen
beräknades med hjälp av en analys från företaget Sunny Future medan investeringskostnaden för Konservatorbostaden beräknades med hjälp av en kalkylator från företaget Svea Solar (Olsson 2021). I Tabell 8 redovisas de ekonomiska resultaten för installation på
tillbyggnaden.
Tabell 8: Investeringskostnad, nuvärdessumma och återbetalningstid för installation av solceller på tillbyggnaden.
Antal moduler med lutning
Investeringskostnad [kr]
Nuvärdessumma [kr]
Återbetalnings- tid [år]
Livslängd [år]
50 moduler (0°)
329 000 266 000 20,2 30
40 moduler (0°)
263 000 210 000 20,4 30
26 moduler (30°) (Söder)
171 000 133 000 20,9 30
Förslaget att installera solceller på taket på Konservatorbostaden skulle medföra kostnader enligt Tabell 9. I Tabell 9 redovisas även kostnaderna för att installera solceller på
parkeringen, där investeringskostnaden redovisas exklusive kostnad för tak att installera solcellerna på.
Tabell 9: Investeringskostnad, nuvärdessumma och återbetalningstid för installation av solceller på Konservatorbostaden samt parkeringen
Byggnad
Antal moduler
med lutning
Investerings kostnad [kr]
Nuvärdes- summa [kr]
Återbetalningstid [år]
Livslängd [år]
Konservator bostaden
39 moduler
(46°) 149 000 52 000 46,8 30
Parkeringen 84 moduler
(0°) 552 000 466 000 19,3 30
4. Diskussion och slutsats
Sammanslaget blir energieffektiviseringen av de båda byggnaderna 32 % för åtgärdspaketet Rekommenderade åtgärder respektive 56 % om Energisparpaketet implementeras. Detta visar
15 på att det är svårt att uppnå målet med 40 % energieffektivisering då k- och q-märkningen låser tekniska möjligheter för energibesparing. Helt nya fönster ger endast 2-3 % mer
energibesparing än att installera en isolerruta, vilket gör detta alternativ svårmotiverat då det kommer påverka de kulturhistoriska värdena. Det största energibesparingshindret är
utmaningarna med att tilläggsisolera byggnaden, då en sådan åtgärd skulle kunna ge energibesparingar på 34 %, eller 65 kWh/m2, för Biotopia.
Om regelverket öppnar upp för möjligheten att isolera fasaden och om fuktproblematiken i byggnaden tillåter, vore det fördelaktigt att utföra åtgärden. Därför är det särskilt intressant att diskutera fasadisolering inför en framtida renovering, samt uppdatera sig om utvecklingen av alternativa isolermetoder, som till exempel den termiska färgen eller superisolerande puts.
Det är av vikt att bevara det kulturella värdet av en byggnad men bostadsbeståndet i Sverige står för en stor andel av energianvändningen där en del begränsas av olika märkningar. Detta kan göra det svårare att uppnå Sveriges energi och klimatmål, vilket gör det meningsfullt att hitta bra lösningar och ny teknik för att kunna hantera dessa byggnader.
Resultaten från känslighetsanalysen för temperaturförändringen på 1°C visar en relativt stor förändring av energiförbrukningen vilket är förväntat. Det tyder på att om användarna av byggnaden väljer att korrigera inomhustemperaturen kommer det att ge utslag i
energianvändningen. Korrigeringen av U-värdet på väggarna visar på att det sker energiförluster genom väggarna och att förändring av U-värdet ger utslag i
energiförbrukningen. Detta är ett troligt resultat då stora delar av klimatskalet består av väggar. Förändring av fönsterarean och ytterdörrar har en mindre påverkan på
energianvändningen och kan bero på att det utgör en mindre area. Simuleringarna av Konservatorbostaden är liknande resultaten för Biotopia, dock spelar U-värdet på väggarna en större roll. Detta kan bero på att Konservatorbostadens källarväggar inte har
tilläggsisolerats medan Biotopia har en tilläggsisolering. Detta skulle kunna förklara att energiförbrukningen ändras mer för Konservatorbostaden än för Biotopia.
Sammanfattningsvis visar känslighetsanalysen att modellen inte beter sig på oväntade sätt för ändringar i inparametrar.
Ur ett ekonomiskt perspektiv visar Tabell 7 att alla energieffektiviserande åtgärder som har diskuterats är ekonomiskt fördelaktiga att genomföra. Detta framkommer då
nuvärdessummorna är högre än investeringskostnaderna samt att återbetalningstiden är kortare än investeringens förväntade livslängd. För solceller är investeringskostnaderna högre än nuvärdessummorna för samtliga alternativ, se Tabell 8 samt Tabell 9. Det innebär att det inte är ekonomiskt fördelaktigt enligt nuvärdesmetoden att genomföra en sådan investering.
Om återbetalningsmetoden används istället blir resultatet annorlunda, vilket beror på att återbetalningstiden för alla installationer, utom på Konservatorbostaden, är kortare än solcellsmodulens förväntade livslängd. Detta medför att åtgärden kommer betala tillbaka sig själv. Det i kombination med att den elektriska energin som produceras är miljövänlig kan motivera denna åtgärd, även fast nuvärdessummorna understiger investeringskostnaderna.
16 Solcellsalternativet som levererar störst andel elektrisk energi är då solceller installeras på parkeringsplatsen. Den installationen skulle enligt simulering innebära att Biotopia och Konservatorbostaden är nära självförsörjning av elektrisk energi under månaderna maj, juni och juli. Åtgärden att installera solceller på tillbyggnadstaket levererar näst störst andel elektrisk energi. Det finns risk för skuggning av en andel av takytan under vissa tider på dygnet, vilket kan vara bra att ta hänsyn till och utföra en mer detaljerad skuggstudie inför eventuell installation. Solceller på Konservatorbostaden skulle leverera lägst andel elektrisk energi av alla undersökta scenarion, och kan dessutom vara svårt att genomföra till följd av regler för kulturhistoriska byggnader. Här bör hänsyn tas till att simuleringen visar en lägre elektrisk energiproduktion än den potentiella verkliga produktionen, till följd av avsaknad av de rekommenderade modulerna i simuleringsverktyget.
Tillbyggnaden förväntas vara enklast att få godkännande för installation på då den byggdes år 2006. Parkeringsplatsen kan rent administrativt vara svårt att få ett godkännande för då det är en annan markägare än Ihus, men detta alternativ levererar också högst producerad elektrisk energi vilket kan göra det intressant att undersöka ytterligare. Att kombinera åtgärderna visar hög risk att producera mer elektrisk energi än vad som förbrukas under sommarmånaderna.
Det finns dock en möjlighet att kombinera solceller på Konservatorbostaden med solceller på tillbyggnaden och inte riskera att producera ett överskott.
Avslutningsvis rekommenderas Ihus att genomföra det rekommenderade åtgärdspaketet för Konservatorbostaden och Biotopia. Om det i framtiden finns möjlighet att tilläggsisolera utan att förvanska byggnadernas kulturvärden eller riskera förvärrade fuktproblem rekommenderas även den åtgärden. Utöver detta rekommenderas det att undersöka möjligheten att installera solceller på tillbyggnaden alternativt på parkeringen utanför, för att ytterligare minska mängden inköpt energi och öka andelen förnyelsebar energi som byggnaden kräver.
17
5. Referenser
Abel, E. & Elmroth, A. (2016). Byggnaden som system. Studentlitteratur AB.
Goude, L., Granström, H., & Hedlund Peters, B. (2021). Energieffektiviseringsåtgärder underrapport
Gulliksson, T. (2015). Jämförelse av energiberäkningsprogram för byggnader. Umeå: Umeå universitet. Tillgänglig: https://www.diva-
portal.org/smash/get/diva2:816557/FULLTEXT01.pdf [2021-05-19]
Isover (2021). PM XPS FOAM 300 SL. https://www.isover.se/products/pm-xps-foam-300-sl [2021-05- 13]
Karim, A., Johansson, P., Sasic Kalagasidis, A. (2020). Aerogelbaserad puts- Superisolering för framtiden. Tidningen Husbyggaren, (6), 8-11. Tillgänglig:
https://research.chalmers.se/publication/520982/file/520982_Fulltext.pdf [2021-05-10]
Klucis Lövström, D. (2021). Lagar och regler kulturhistoriska byggnader en underrapport
Klucis Lövström, D., Lönn, L., Sjöqvist, S. & Winestedt, O. (2021). Metod- och modellredovisning
Länsstyrelsen Uppsala Län (u.å.). Underlag för mark- och vattenanvändning i Uppsala län.
Tillgänglig: https://ext-
geoportal.lansstyrelsen.se/standard/?appid=9ff5d99bf7a540d8b802113bd450249e&bookmarkid=1485 4 [2021-05-10]
Olsson, O. (2021). Slutrapport ekonomi - Sammanställning av den ekonomiska analysen för energieffektivisering av Biotopia
SFS 2010:900. Plan- och bygglag (2010:900). Finansdepartementet SPN BB
Solar Magazine (2020). Monocrystalline vs Polycrystalline Solar Panels. Solar Magazine, 2020-07- 28. Tillgänglig: https://solarmagazine.com/solar-panels/monocrystalline-vs-polycrystalline-solar- panels [2021-05-12]
Ståhl, F. Lundh, M. & Ylmén, P. (2011). Hållbar och varsam renovering och energieffektivisering av kulturhistoriskt värdefulla byggnader - en förstudie. (SP Rapport 2011:48). Borås: SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut. http://www.sparaochbevara.se/wp-site-
content/uploads/2016/03/SP_Rapport_2011_48_Kulthis_20110824.pdf Tillgänglig: [2021-04-07]
Thermogaia (2012). Termoskydd: Målningsbart keramiskt ytskikt för interiört och exteriört bruk.
[Faktablad]. Täby: Thermogaia. Tillgänglig: http://www.termoskydd.se/wp- content/uploads/2012/11/WEBB-Sa-fungerar-det.pdf [2021-05-11]
