Livscykelanalys av olika åtgärders påverkan på användningen av primärenergi i småhus

Transkript

1 RAPPORT 1 (16) På uppdrag åt Svensk Fjärrvärme: Livscykelanalys av olika åtgärders påverkan på användningen av primärenergi i småhus LCC evaluation of six different one-family-housing heating systems Johanna Källström och Johan Svahn, ÅF ÅF-Infrastruktur AB Frösundaleden 2, Stockholm. Telefon Fax Org nr Säte i Stockholm. Certifierat enligt SS-EN ISO 9001 och ISO 14001

2 RAPPORT 2 (16) Sammanfattning Syftet med detta arbete var att utvärdera sex energiåtgärder för ett standarhus som idag värms med en elpanna. Analysen är gjord med LCC-beräkningar (Life Cycle Cost). Dessutom har studerats hur de olika alternativen påverkar användningen av primärenergi. Inga återinvesteringar eller servicekostnader är medräknade i kalkylerna. Baserat på genomförda beräkningar av primärenergi och LCC, med tillhörande analys och känslighetsanalys, konstateras att alternativet med fjärrvärme och roterande FTX, är det mest lönsamma (sjätte stapeln lägst i figur 1). Investering -ev. restvärde Fjärrvärme El kkr Figur 1. Nuvärdeskostnad för de sex olika åtgärdsförslagen och status quo (sista stapeln). (Kalkylränta 6 %, energiprisutveckling +3 % per år, kalkyllängd 25 år.) Om en högre kalkylränta används ger alternativet med att enbart konvertera till fjärrvärme det bästa LCC-resultatet (fjärde stapeln). Detta alternativ ger också den kortaste pay-off-tiden. Frånluftsvärmepumpen (stapel 1) har svårt att konkurrera med fjärrvärmen (stapel 2-6), vilket till stor del beror på att elpriset är mycket högre än priset på fjärrvärme. Det alternativ som kräver lägst primärenergi är lösningen med fjärrvärme och roterande FTX. Näst lägst användning av primärenergi har alternativet med kombinerad frånluftsvärmepump, roterande FTX och fjärrvärme. Enligt beräkningarna är fjärrvärme ett lönsamt alternativ för småhus som idag värms med en elpanna.

3 RAPPORT 3 (16) Abstract The aim of this work was to compare the life cycle cost, LCC, of six different heating systems for a one-family-housing, today heated with an electrical heater. Usage of primary energy was presented for each alternative. The following six alternatives were calculated and evaluated: 1. Exhaust air heat pump 2. Exhaust air heat pump and district heating 3. Exhaust air heat pump, district heating, supply and exhaust fans with rotating heat exchanger 4. District heating 5. District heating and supply and exhaust fans with fluid-coupled heat exchanger 6. District heating and supply and exhaust fans with rotating heat exchanger Energy prices were set to SEK 1,5 per kwh (electricity) and SEK 0,72 per kwh (district heating). No maintenance cost is included in the calculations. With an imputed interest of 6 % and a yearly energy price increase of 3 %, alternative 6 is most profitable. Alternative 3 has the lowest annual energy cost, but the longest payback. Alternative 4 has the shortest payback, but the second highest annual energy cost. A comparison of primary energy usage shows that alternative 3 and 6 have the lowest specific energy utilization. Alternative 3 has the lowest regular energy utilization.

4 RAPPORT 4 (16) Innehåll 1 Inledning Bakgrund och syfte Avgränsningar 5 2 Förutsättningar huset 6 3 Investeringsalternativ Fjärrvärme Frånluftsvärmepump Värmeåtervinning - FTX FTX kombinerat med frånluftsvärmepump 8 4 Resultat Känslighetsanalys Användning av primärenergi Jämförelse med Boverkets byggregler 14 5 Diskussion och slutsats 15 6 Förslag på fortsatt arbete 16 7 Referenser 16

5 RAPPORT 5 (16) 1 Inledning 1.1 Bakgrund och syfte Svensk Fjärrvärme har fått flera frågor kring vilka system som är mest lönsamma utifrån kapitalkostnad och miljöaspekter. Svensk Fjärrvärme bad därför ÅF att studera investeringskostnaderna för normalt förekommande system för en villa. Under senare år har ökade energikostnader och fokus på klimatförändringarna gjort att småhusägare behöver värdera både kostnaden och miljöaspekten för val av uppvärmningssystem. Därför är begreppet primärenergi med i beslutsunderlaget vid en jämförelse mellan de aktuella alternativen. Alternativen har här också jämförts med nybyggnadskraven i BBR 2008, som gäller för bygganmälningar från och med 1 januari 2010 för att se huruvida de studerade alternativen är tillåtna vid nybyggnation. 1.2 Avgränsningar Enbart sex alternativ har utvärderats. I denna studie har bortsetts från underhållskostnader. Sådana åtgärder som krävs för att upprätthålla tänkt funktion under systemets livslängd finns är således inte med i beräkningarna. Hänsyn har heller inte tagits till återkommande service, resurser i form av reservdelar och dokumentation, samt tillgänglighet för dessa. Dessa komponenter kan komma att påverka totalkostnaden väsentligt och för vissa system kan de komma att utgöra en högre kostnad än den ursprungliga investeringen. Som indata i livscykelberäkningarna har energiprisutvecklingen antagits vara +3 % per år, kalkylräntan 6 % och investeringarnas livslängd 25 år. Dessa antaganden innebär givetvis i sig begränsningar av studien. Resultaten påverkas om el- och fjärrvärmepriserna inte följer varandra så som här antagits.

6 RAPPORT 6 (16) 2 Förutsättningar huset Ett standardhus har antagits för att kunna jämföra de olika alternativen. Huset är 130 m 2 (A temp ) stort, utrustat med elpanna för uppvärmning och varmvattenberedare. Ventilationen är av typen mekanisk frånluft. Värmebehovet för byggnaden är 140 kwh/m 2. Detta ger en årlig värmeanvändning på kwh, vilka antas fördelade enligt följande: Ventilation 32% Avlopp 11% Transmission 57% Figur 2. Fördelning av värmeförlusterna för standardhuset De beräknade ventilationsförlusterna är baserade på dagens ventilationskrav. Varje person antas använda ca 16 m 3 varmvatten per år och 62 m 2 i boendeyta 1. Detta innebär att värmebehovet för varmvatten är ca kwh per år.

7 3 Investeringsalternativ De sex investeringsalternativen som har utvärderats är RAPPORT 7 (16) 1. Frånluftsvärmepump (FVP) 2. Frånluftsvärmepump kombinerat med fjärrvärme (FVP + FJV) 3. FTX kombinerad med frånluftsvärmepump och fjärrvärme (FTX+ FVP+ FJV) 4. Fjärrvärme (FJV) 5. FTX vätskekopplad med fjärrvärme (FJV+ FTX-vätskekopplat) 6. Roterande FTX och fjärrvärme (FJV+ FTX-roterande) Nedan följer antaganden och indata för beräkningarna. Alla priser är inklusive moms. 3.1 Fjärrvärme Priset för fjärrvärme är satt till 72 öre/kwh, ett medelvärde från Nils Holgersson-studien En känslighetsanalys har genomförts för ett lågt och ett högt fjärrvärme pris, 60 respektive 80 öre/kwh. Kostnaden för att köpa och installera en fjärrvärmeväxlare har uppskattas till kr. Kostnad för anslutning till fjärrvärmenätet är betydligt svårare att uppskatta, eftersom det rör sig om ännu fler parametrar som påverkar priset. Här har ett enkelt alternativ valts där fjärrvärme finns nära byggnaden och investeringen uppskattas till kr Frånluftsvärmepump En frånluftvärmepump dimensioneras efter den värmemängd som kan återvinnas ur frånluftsflödet. Värmepumpen används i detta system till att producera både värme och varmvatten. Avluftstemperaturen har antagits till 4 ºC. Detta innebär att pumpen beräknas kunna täcka ca 45 % av det totala värmebehovet för byggnaden, (antaget årsmedel-cop är 3). Parametrar som påverkar hur stor del av värmebehovet som värmepumpen klarar att täcka, beror i första hand på storlek av frånluftsflödet, avluftstemperatur och hur stor andel av det totala värmebehovet som uppvärmning av tappvarmvatten utgör. Investeringen för frånluftsvärmepumpen är uppskattad till kr. Investeringen kan variera mycket beroende på modell och utförbarhet att installera. Elpriset är antaget till 1,50 kr/kwh.

8 3.3 Värmeåtervinning - FTX RAPPORT 8 (16) Två alternativ för återvinning av värme ur frånluften till tilluft är analyserade; vätskeburen värmeåtervinning och roterande värmeväxlare. Uppskattade temperaturverkningsgrader för de olika alternativen är 50 % respektive 75 %. Detta innebär att värmebehovet är 17 % lägre med vätskeburen och 25 % lägre med roterande växlare än utan värmeåtervinning. Elanvändning blir något högre eftersom det behövs en tilluftsfläkt. Hänsyn till detta är tagen i beräkningarna. Investeringskostnaderna uppskattas till kr respektive kr. 3.4 FTX kombinerat med frånluftsvärmepump Alternativet med värmeåtervinning och frånluftsvärmepump innebär att först återanvänds värmen ur frånluften till tilluften med en roterande värmeväxlare, sedan används en värmepump till att kyla ner frånluften ytterligare. För detta system krävs investering i både ett FTX-aggregat och i en frånluftsvärmepump.

9 RAPPORT 9 (16) 4 Resultat Genom att jämföra de olika alternativens årliga energikostnader kan en återbetalningstid erhållas, d v s hur lång tid det tar innan de investerade medlen är återbetalade, en pay-off-tid. I nedanstående tabell ses att enbart installation av fjärrvärme har den kortaste pay-off-tiden. En stor anledning till att detta alternativ har den kortaste pay-offtiden är den låga investeringen. Tabell 1. Pay-off -tider och årliga energikostnader. Investering (kkr) Årlig energikostnad (kkr) Årlig energibesparing (kkr) Pay-off (år) Systemalternativ FVP + Elpanna ,3 FVP+ FJV ,6 FJV + FVP + FTX ,9 FJV ,6 FJV + FTX vätskekopplat ,7 FJV + FTX roterande ,1 Elpanna (dagens status) Pay-off-tid är ett trubbigt analysinstrument för att jämföra olika investeringsalternativ, eftersom inte kostnader, intäkter och besparingar över hela livslängden beaktas utan enbart hur fort de investerade pengarna återbetalas. När kostnader för livscykeln beaktas, erhålls ett annat resultat, se figur 3.

10 RAPPORT 10 (16) Investering -ev. restvärde Fjärrvärme El kkr Figur 3. Nuvärdeskostnader för de olika alternativen. (Kalkylränta 6 %, energiprisutveckling 3 % per år, livslängd 25 år.) I ovanstående figur ses att alternativet med installera fjärrvärme och roterande värmeväxlare (stapel 6) är det mest lönsamma alternativet. Anledningen är att det alternativet kräver en liten investering och har en låg årlig energikostnad.

11 RAPPORT 11 (16) 4.1 Känslighetsanalys Kalkylräntan är en viktig parameter när det gäller att värdera investeringar mot varandra. I de hittills redovisade beräkningarna var kalkylräntan 6 %, vilket kan ses som en normal bankränta. Om en riskparameter läggs in i räntan kan den istället sättas till 9 %. Då blir livscykelkostnaden för de olika alternativen som i figur 4. kkr Investering -ev. restvärde Fjärrvärme El Figur 4. Nuvärdeskostnader för de olika alternativen, med 9 % kalkylränta. (Årlig energiprisutveckling +3 %, livslängd 25 år). Den högre kalkylräntan gör att alternativet att bara installera fjärrvärme blir det mest lönsamma. Energiprisutvecklingen är en stor osäkerhet vid energikalkyler. I figur 5 visas resultat från livscykelberäkningarna då energipriserna antas öka årligen med 5 % istället för 3 % Investering -ev. restvärde Fjärrvärme El kkr Figur 5. Nuvärdeskostnader för de olika alternativen, med 5 % energiprisutveckling. (Kalkylränta 6 %, livslängd 25 år.)

12 RAPPORT 12 (16) Alla 6 åtgärdsalternativen blir med en högre prisutveckling mer lönsamma. Det är fortfarande fjärrvärme med roterande värmeväxlare som är mest lönsamt. Eftersom fjärrvärmepriset är en lokal företeelse görs en känslighetsanalys på fjärrvärmepriset. Först med ett lågt fjärrvärmepris 60 öre/kwh, se figur 6, och ett högt 80 öre/kwh, se figur 7. kkr Investering -ev. restvärde Fjärrvärme El Figur 6. Nuvärdeskostnader för de olika alternativen, med fjärrvärmepris 60 öre/kwh 3 % energiprisutveckling. (Kalkylränta 6 %, livslängd 25 år.) Med ett lägre fjärrvärmepris blir lösningarna med fjärrvärme ännu mer lönsamma. kkr Investering -ev. restvärde Fjärrvärme El Figur 7. Nuvärdeskostnader för de olika alternativen, med fjärrvärmepris 80 öre/kwh 3 % energiprisutveckling. (Kalkylränta 6 %, livslängd 25 år.) Även vid ett relativt högt fjärrvärmepris är fjärrvärmekombinerat med FTX den lösning som ha den bästa lönsamheten.

13 RAPPORT 13 (16) Rent ekonomiskt är det således alternativet med att installera fjärrvärme tillsammans med en roterande värmeväxlare som är det mest intressanta alternativet. Om kalkylräntan är högre eller om kort pay-off-tid har ett stort egenvärde, kan den roterande värmeväxlaren väljas bort och enbart fjärrvärme installeras 4.2 Användning av primärenergi Primärenergi är en teknisk term för energi som inte har omvandlats till annan form av energi. Primära energikällor kan omvandlas till mer användbara former, till exempel elektricitet. I detta arbete har följande primärenergifaktorer använts för att omvandla energianvändningen till användning av primärenergi 4 : el: 2,5 fjärrvärme: 0,83 Primärenergianvändning [kwh/m 2 ] Figur 8. De olika lösningarnas primärenergibehov per kvadratmeter och år. Ur figur 8 ses att de alternativ som använder minst primärenergi är lösningen med fjärrvärme kombinerad med roterande FTX (stapel 6), strax följd av fjärrvärme kombinerad med roterande FTX och frånluftvärmepump (stapel 3). Anledningen är att de båda alternativen har en låg energianvändning med fjärrvärme som det dominerande energislaget.

14 4.3 Jämförelse med Boverkets byggregler RAPPORT 14 (16) Resultaten för energianvändningen i byggnaden efter åtgärder (se figur 9) kan sättas i relation till de energikrav som finns vid nybyggnation, Boverkets Byggregler, (BBR). 5 För bostadshus som ligger i klimatzon III (söder om Gävle, Dalarnas och Värmlands län) krävs att den specifika energianvändningen är högst 110 [kwh per m 2 A temp och år]. Kraven är hårdare för eluppvärmda byggnader. Då gäller att elanvändningen är högst 55 kwh/m 2. Det finns även ett maximum på installerad eleffekt för uppvärmning som är 4,5 kw för 130 m 2. energianvändning [kwh/m²] FVP FVP + FJV FVP + FJV + FTX Figur 9. De olika alternativens energianvändning per kvadratmeter och år. De alternativ som klarar BBR-kraven är frånluftsvärmepumpen kombinerad med fjärrvärme (stapel 2), frånluftsvärmepumpen kombinerad med fjärrvärme och FTX (stapel 3) och fjärrvärme med roterande FTX (stapel 6). Alternativet att enbart installera fjärrvärme (stapel 4), liksom alternativet med fjärrvärme kombinerat med vätskekopplat FTX (stapel 5) klarar inte kraven för nybyggnation. Den genomsnittliga frånluftsvärmepump som vi har antagit klarar inte kravet för elvärme om högst 55 kwh/m²,år (stapel 1). Det finns frånluftsvärmepumpar som fungerar med avluftstemperaturer så låga som -15 ºC. Det är möjligt att en sådan pump skulle klara kravet bättre. Denna utrustning är dock dyrare än den som vi har räknat med. FJV FJV + FTX vätskekopplat FJV + FTX roterande El Fjärrvärme Det finns även krav på genomsnittlig värmegenomgångskoefficient för klimatskalet

15 5 Diskussion och slutsats RAPPORT 15 (16) Genomförda beräkningar av livscykelkostnader, med tillhörande analys och känslighetsanalys, visar att alternativet med fjärrvärme och roterande FTX, är det mest lönsamma med våra grundantaganden. Detta är även det bästa alternativet när priset på fjärrvärme varieras. Det är svårt att förutse utveckling på framtida energikostnader. Samma prisutveckling har antagits på fjärrvärme och el. Historiskt har dock elpriset stigit mer än fjärrvärmepriset, under den senaste tio åren har det totala elpriset stigit med ca 80 % vilket skall jämföras med ca 32 % på fjärrvärme 2. Samtidigt har inflationen (KPI) varit ca 17% under samma period. Om en högre kalkylränta används ger alternativet med enbart konvertering till fjärrvärme det bästa LCC-resultatet. Detta alternativ ger också den kortaste payoff-tiden. Det alternativ som har lägst användning av primärenergi är alternativet med fjärrvärme och roterande FTX, strax följt av alternativet med fjärrvärme kombinerat med roterande FTX och frånluftsvärmepump Alternativet att kombinera ett FTX-aggregat med en frånluftsvärmepump är idag inte vanligt, vare sig i småhus eller i andra byggnader. Investeringen är också den största vilket ger den längsta pay-off-tiden. Det är tveksamt huruvida systemet skulle visa sig lönsamt då även drift och underhållskostnader vägs in. Ett vätskeburet återvinningssystem är idag inte heller ett vanligt system för småhus, men installeras ibland i större byggnader där till- och frånluften inte är placerad på samma ställe. Det visar sig också i våra kalkyler att det är bättre att satsa på en roterande värmeväxlare eftersom den har en bättre verkningsgrad. Frånluftsvärmepumpen har svårt att konkurrera med fjärrvärmen. Detta beror till stor del på att elpriset är högt jämfört med fjärrvärmepriset. Enligt våra beräkningar, klarar inte den traditionella frånluftsvärmepumpen BBR-kraven. Eftersom inga återinvesteringar eller servicekostnader är medräknade i kalkylerna är det troligt att driftkostnaderna för alternativen med många rörliga delar kommer att få det svårare i en mer detaljerad lönsamhetskalkyl. Bland annat behöver sannolikt frånluftvärmepumpens kompressor bytas minst en gång under livscykeln på 25 år. Enligt beräkningarna är fjärrvärme ett mycket lönsamt alternativ för småhus med en elpanna. Detta gäller dock enbart då det finns ett fjärrvärmenät i närheten.

16 6 Förslag på fortsatt arbete RAPPORT 16 (16) En intressant frågeställning är hur de nya BBR-kraven slår för olika uppvärmningsalternativ. Andra angelägna frågor är: Vilka alternativ är idag möjliga vid nybyggnation och hur ser kostnadsbilden ut? Hur står sig den nya generationens frånluftsvärmepumpar som klarar BBR sig mot fjärrvärme? Vilket är det bästa uppvärmningsalternativet för småhus med passivstandard? Det skulle vara intressant med en liknande studie för flerbostadshus. 7 Referenser 1. Indata för energiberäkningar i kontor och småhus, Boverket, okt Fastigheten Nils Holgerssons underbara resa genom Sverige, en avgiftsstudie för år 2009, 3. Härnösand Energi & Miljö AB, telefonsamtal Primärenergifaktorer Elmixen enligt EU direktivet 2206/32/EG och fjärrvärmemixen enligt Svensk Fjärrvärme. 5. Regelsamling för byggande, BBR Supplement februari 2009, 9 Energihushållning