MARGINALER I FJÄRRVÄRMESYSTEM

Transkript

1 Forskning och Utveckling FOU 2003:85 MARGINALER I FJÄRRVÄRMESYSTEM Patrik Selinder, Heimo Zinko ZW Energiteknik AB

2 MARGINALER I FJÄRRVÄRMESYSTEM Patrik Selinder, Heimo Zinko ZW Energiteknik AB ISSN

3 I rapportserien publicerar projektledaren resultaten från sitt projekt. Publiceringen innebär inte att Svenska Fjärrvärmeföreningens Service AB tagit ställning till slutsatserna och resultaten Svenska Fjärrvärmeföreningens Service AB

4 Sammanfattning Svenska fjärrvärmenät antas genomgående vara projekterade med stora effektmarginaler. Dels för att kunna tillgodose värmeleveransen vid utetemperaturer som ändå inträffar mycket sällan och dels med höga sammanlagringsvärden för tappvarmvattenproduktionen. Förutom att det innebär onödiga fördyringar vid installationstillfället kan de stora effektmarginalerna orsaka driftproblem i fjärrvärmenätet. Detta projekt avser att utreda vilka möjligheter det finns för att minska dimensioner och därmed reducera anslutningseffekten och vad detta skulle innebära för kunderna. Minskad ansluten effekt leder till att servisledningar och fjärrvärmecentraler kan reduceras i storlek, vilket i sin tur leder till att kostnader i samband med nyinstallation eller reparation kan minskas. Mindre storlekar på styrventiler kan dessutom innebära positiva effekter för driften av fjärrvärmenätet, som t.ex. ökad leveranssäkerhet och minskad påverkan vid driftstörningar. Till exempel har överdimensionering konstaterats orsaka svårigheter vid uppstart efter pumpstopp i fjärrvärmenäten. Byggnaders värmesystem är normalt dimensionerade så att den tillförda värmeeffekten motsvarar byggnadens värmeförluster ned till en viss dimensionerad utetemperatur (DUT). Att dimensionera värmesystemet till lägre utetemperaturer är oekonomiskt. Man accepterar m.a.o. redan idag att effektbrist kan komma att uppstå vid extrem kyla. Byggnadens termiska tröghet, dvs värmekapaciteten i förhållande till värmeisoleringen, kommer då till viss grad att utjämna kortvariga sänkningar av utetemperaturen. Genom att mera noggrant anpassa DUT till husets värmetröghet kan den anslutna effekten särskilt i medeltunga och tunga hus minskas. Det innebär emellertid att de tillfällen då effektbrist uppstår kan komma att inträffa oftare och effektbristen kan då också bli större än vad som idag är fallet. Gränsen för hur låg den anslutna värmeeffekten kan vara beror på vilken komfortnivå de boende är beredda att acceptera. Under projektets gång har representanter för företag och organisationer, som på olika sätt är intressenter i fastighetsbranschen, träffats och frågorna kring leveranskvalitet diskuterats. Den ovan nämnda överdimensioneringen i byggnadernas värmesystem ger dock utrymme för betydande minskning av den anslutna värmeeffekten utan att boendekomforten nämnvärt försämras. Detta kallas i rapporten för snåldimensionering, vilket innebär att man strikt följer Boverkets Föreskrifter och allmänna råd för DUT 20 och Fjärrvärmeföreningens Tekniska bestämmelser för dimensionering av varmvattenanslutningen. Dimensionering enligt denna standard ger goda möjligheter att sänka den installerade effekten med ca 30 % jämfört med nuläget, både vid nyinstallation och i befintliga byggnader, utan att riskera komfortproblem. Ytterligare effektreducering här kallad bristdimensionering innebär minskad komfort och kan i vissa fall vara tänkbar. Men detta resulterar i komfortproblem och så pass sänkt värmestandard att kunden borde få kompensation för detta. 1

5 Margins in Swedish district heating systems Summary It can be assumed on good reasons that the Swedish district heating nets are designed with relatively large margins concerning the transportable power. This is done historically to be able to transport the necessary power that can be called for on the coldest winter days but which occur rarely and also due to the former (until 2001) applied recommendations for the dimensioning of hot water flows. The aim of this project was to investigate the possibilities of reducing the connecting power to customers, both from a technical and from the customer point of view. The heating system of a building in Sweden is normally dimensioned according to a certain outdoor air temperature (DUT in Swedish). According to the Swedish Building Code, DUT 20 is defined for a given location in such a way that if the heating system is designed for this temperature, the room temperature is allowed to decrease by 3 C in the average once in 20 years. That means that for economical reasons, a power deficiency is accounted for in the case of strong cold. The value of DUT is depending on the thermal inertia of the building. Buildings with high thermal inertia can have a higher DUT and vice versa. A reduced system size can in principle mean smaller size of pipes and consumer substations and more power available for additional customers to be connected. In principle, that means a more profitable district heating operation. Besides costs, another problem with oversized capacities are possible operational problems due to slow dynamic system responses, f. i. at restarting occasions after a pump stop. A smaller valve size will result in a better system dynamic and may result in a more compliant system operation and increased delivery quality. By choosing just right DUT for every building and abandoning safety margins, it is shown in the report that the connecting power can be reduced in especially medium light to heavy buildings with larger time constants. However, this also means that the occasions with power deficiency will occur more often. The lower limit for the reduction of connection power is depending on the level of comfort the customers are prepared to accept. These questions have been discussed with selected customer representatives. The mentioned practice of oversizing of the heating power deliverable to the buildings presents a relatively large margin for reduction of consumable power without decreasing the level of heating comfort too much. In the report this method is recommended under the name stingy (= adequate) dimensioning; it is still according to the recommendation of the Swedish building code based on DUT 20 and following the regulations of the Swedish District Heating Association for the domestic hot water dimensioning. The result will be a decrease of about 30% of the connected power in most buildings, and somewhat more in the heaviest buildings. Further reduction of the connecting power will implicate a more strong impact on the heating comfort. We call this deficiency dimensioning and we cannot really recommend it apart from some special customer groups who might accept this heating quality by receiving some kind of economic compensation. 2

6 Tack Författarna vill härmed tacka alla som har bidragit till genomförandet av detta uppdrag: Projektets referensgrupp med följande ledamöter: Johan Tjernström, Fortum Värme.. Gunnar Nilsson, Göteborg Energi AB Holger Feurstein, C4 Energi AB Ao Värme Lennart Berndtsson, HSB:s Riksförbund Ett urval av fjärrvärmekunder som lämnade synpunkter till leveranskvalitén: Tomas Hallén, Akademiska Hus AB Göran Leander, Bostads AB Poseidon Bo Östlund, Familjebostäder Lennart Berndtsson, HSB Anders Mattsson, Hyresgästföreningen Jonny Kellner, Jarl-Inge Storma, JM AB Stig Lander, Hans Nilsson, Riksbyggen AB Gunnar Wiberg, SABO Jonas Gräslund, Skanska fastigheter Stockholm AB Yngve Green, Peter Lundberg, Svenska Bostäder Bengt Wånggren, Sveriges fastighetsägarförening Svenska Fjärrvärmeföreningen och Statens Energimyndighet för finansiering av projektet. 3

7 Innehållsförteckning Sammanfattning 1 Summary 2 Tack 3 Innehållsförteckning 4 Definitioner 6 1 Inledning Bakgrund Problembeskrivning Syfte och mål 7 2 Leveranskvalitet och kundförväntningar 8 3 Tillvägagångssätt Faktablad Marknadsundersökning 9 4 Regler och normer Socialstyrelsens Författningssamling, SOSFS Arbetsmiljöverkets författningssamling, AFS Boverkets Författningssamling, BFS 10 5 Byggnaders respons på förändring av värmetillförsel Byggnadens värmetröghet och tidskonstant Tidskonstanten Responstiden Tidskonstanten vid samtidig värmetillförsel Samband mellan tidskonstanten och DUT Beräkning av värmeeffektbehov 16 6 Åtgärder för snål- resp bristdimensionering Status quo Värmedimensionering enligt Boverkets föreskrifter Boverkets föreskrifter samt ny VV-dimensionering enligt Fjärrvärmeföreningens tekniska bestämmelser Bristdimensionering för värme Effektbesparing genom varmvattenprioritering utan bristdimensionering Diskussion av resultat för olika dimensioneringsåtgärder Exempel på snål- och bristdimensioneringen under en period med låga utetemperaturer 24 7 Snåldimensioneringens systempåverkan Kostnadsreducering vid reparation Byte av styrventil Installation av FC Kostnadsreducering vid nyinstallation Minskad serviskostnad 30 4

8 7.2.2 Anslutning av nya områden till befintliga nät Driftpåverkan Minskad toppeffekt Ökad leveranssäkerhet 33 8 Marknadens reaktion Intervjumetodiken Uppgiftslämnare Frågor och svar Diskussion av svaren Nivå på sänkningen Frekvens på sänkningen Ersättningsnivå Information Extremsituationer Övrigt 39 9 Sammanfattande diskussion Möjlighet för bristmanagement Snål- eller bristdimensionering - olika kvalitetsnivåer Kvalitetsstandard DUT-20 standard - snåldimensionering Bristdimensionering Dimensionering av nya områden Effektbegränsning Konsekvenser för inomhustemperatur Konsekvenser för leveranskvalitén Slutsatser Referenser 47 Bilaga 1 48 Bilaga 2 49 Bilaga

9 Definitioner A Byggnadens totala ytterarea, m 2 C Byggnadens totala värmekapacitet, J/kgK c Ventilationsluftens värmekapacitet, J/kg C DUT Dimensionerande utomhustemperatur, C FDUT Fjärrvärmesystemets dimensionerande utetemperatur, C K FC Kostnad FC, SEK K M,FC Marginalkostnad FC, SEK K Serviser Kostnad servisledning, SEK m Byggnadens totala massa, kg n Luftomsättningstal, h -1 P L Effektbehovet för ventilation, W P T Effektbehovet för transmission, W P V Tillförd värmeeffekt, W P V,Inst Installerad värmeeffekt, kw P V,Servis Överförd värmeeffekt i servisledning, kw q Ventilationsluftflöde, m 3 /s t Tid, h T op Operativ temperatur, C T rop Riktad operativ temperatur, C T rum Rumsluftens temperatur, C T rum,0 Rumsluftens initialtemperatur, C T ute Utomhustemperatur, C U Byggnadens totala värmegenomgångstal, W/m 2 C V Rumsvolym, m 3 ρ Ventilationsluftens densitet, kg/m 3 τ Byggnadens faktiska tidskonstant, h τ 0 Byggnadens tidskonstant, h τ resp Responstiden, h 6

10 1 Inledning 1.1 Bakgrund De svenska fjärrvärmenäten antas genomgående vara projekterade med stora effektmarginaler. Dels för att kunna tillgodose värmeleveransen vid en dimensionerande utetemperatur (DUT) som inträffar mycket sällan och med ett fåtal timmar varje år, och dels med alldeles för höga sammanlagringsvärden för tappvarmvattenproduktionen. Tillsammans med projektörernas säkerhetsmarginaler har detta lett till att fjärrvärmecentraler (FC) och ofta även servisledningar är överdimensionerade med ökade produktions- och distributionskostnader som följd. Under perioder med extremt låga utetemperaturer har också flera fjärrvärmeleverantörer upplevt problem som direkt kan hänföras till höga effekt- eller flödesuttag i FC. I denna tid med en alltmer ökande avreglering av energimarknaden är det viktigt att även fjärrvärmebranschen ser över sina kostnadsstrukturer. Vissa förändringar har redan skett, t.ex. så har FVF givit ut nya Tekniska bestämmelser för dimensionering av tappvarmvattenflöden till flerfamiljsbostäder /1/. Samtidigt pågår arbete vid flera energiföretag för att öka avkylningen och på så sätt använda näten mera effektivt. 1.2 Problembeskrivning En naturlig lösning på problemet med höga installerade effekter är att reducera den sammanlagda effektleveransen till fastigheterna. Detta måste naturligtvis göras samtidigt som kundernas berättigade krav på leveranssäkerhet och kvalitet på tappvarmvattentemperatur och inomhusklimat upprätthålls. Att dimensionera en byggnads effektbehov för låga utetemperaturer som inträffar sällan och under kort tid är både oekonomiskt och opraktiskt. Man väljer därför normalt en dimensionerande utetemperatur DUT som är betydligt högre än extremfallet. Fjärrvärmecentralen dimensioneras med andra ord så att effektbrist kommer att uppstå vid extremt låga utetemperaturer. Eftersom dessa sker väldigt sällan och med begränsad varaktighet upplevs sällan effektbristen som ett komfortproblem. Vid valet av DUT måste naturligtvis byggnadens värmesystem harmonisera med fjärrvärmesystemet. Byggnaden kan inte tillföras högre effekt än fjärrvärmesystemet kan leverera. Genom att välja en högre DUT vid dimensionering av fjärrvärmeanslutningen kommer de tillfällen då effektbrist kan uppstå att inträffa oftare och effektbristen kan också bli större. I förlängningen kommer då risken för försämring av leveranskvalitet och komfort att öka. 1.3 Syfte och mål Målet med projektet är att genom diskussioner med olika representanter från fastighetsmarknaden fastställa hur fjärrvärmeföretagens kunder ställer sig till att anslutningseffekten minskas till sådana nivåer att effekten motsvarar det verkliga för kunden adekvata leveransomfånget. Detta kan dock medföra en lägre nivå på leveranskvaliteten resp leveranssäkerheten. 7

11 2 Leveranskvalitet och kundförväntningar I Värmeverksföreningens rapport Leveranssäkerhet /2/ tas kvalitetsfrågan upp. Där skrivs det i kapitel 1, Inledningen: I begreppet vi har fjärrvärme ligger inbyggt en förväntning om hög säkerhet i värmeförsörjningen. Med ökad kunskap inom dessa områden kan dialogen med kunderna utvecklas med syftet att effektivisera fjärrvärmesystemet och samtidigt erbjuda kunderna olika leveranssäkerhet. Enligt denna beskrivning kan man tänka sig olika grader av leveranssäkerhet för olika typer av kunder, dvs vissa kunder kan ha en något lägre kvalitetsstandard än andra. T ex är en hushållskund inte lika beroende av en försörjningskontinuitet som ett ålderdomshem eller en processindustri. Samtidigt utgör leveranssäkerhet ett viktigt mått på kvalitet för fjärrvärme och är ett starkt försäljningsargument. Flera av våra diskussionspartner påpekade att de själva använder försörjningstryggheten som försäljningsargument för sina lokaler. Huvudkunden lägger alltså gentemot sina kunder till ett underförstått mervärde på fjärrvärmeleveransen, baserat på en historiskt demonstrerad kvalitetsprägel. En kvalitetsminskning har således sådana konsekvenser för denna kundkategori att den på ett eller annat sätt vill gardera sig mot kvalitetsminskning. Å andra sidan är begreppet leveranskvalitet diffust och svårt att värdera. Kunderna har svårt att definiera vad hög leveranskvalitet är och det är ännu svårare att värdera begreppet med pengar. I Referens /2/ gjordes ett försök att värdera avbrott i leveransen genom att räkna ut kostnaderna för alternativa åtgärder, men det är inte så lätt att få en uppfattning om värdet av att någon enstaka dag ha det något kallare (samtidigt som det är kallt ute). Eftersom fjärrvärmebranschen själv genom PR-kampanjer har byggt upp höga förväntningar på sin produkt, så är det ganska viktigt att gå varsamt fram vad gäller en planerad kvalitetssänkning. Våra intervjuer med användarrepresentanter visade att alla hade höga förväntningar, men en del kunde tänka sig att standarden kunde sänkas något, om det kan hjälpa till att minska kostnader (man har inte sagt undvikande av kostnadsökningar, men det kan eventuellt även tolkas så). Det är alltså inte omöjligt att tillämpa snålare dimensionering för en viss kategori kunder som inte har de allra högsta kvalitetskraven: Det gäller att hitta just den rätta nyansen för detta något, dvs lämplig dimensioneringsnivå, se vidare avsnitt 6. Av denna anledning vill vi införa två hjälpbegrepp: Snåldimensionering : följer Boverkets föreskrifter för dimensionering av värmesystem i bostadshus samt FVF Tekniska bestämmelser från 2001 för dimensionering av tappvarmvattensystem. Bristdimensionering: är en dimensionering på lägre nivå än snåldimensionering och där effektbrist kan uppstå oftare än en gång per 20 år. 8

12 3 Tillvägagångssätt I syfte att kunna föra kvalificerade diskussioner med kunderna inleddes arbetet med en faktasammanställning angående de viktigaste dimensioneringssambanden. Faktaunderlaget användes därefter för att sammanställa ett diskussionsunderlag. Syftet med diskussionsunderlaget var att säkerställa att kunden har relevant information för att kunna föra en saklig diskussion. 3.1 Faktablad I faktamaterialet (på overheadfolier) sammanställdes i huvudsak teknisk information för att ge de intervjuade uppgiftslämnarna (UL) samma bakgrundsinformation som vi utgick ifrån. Det rör sig om den tekniska bakgrunden till dimensionering av värme- och varmvattensystem i våra hus såsom den är beskriven i kapitel 5. Vidare ingick i materialet även viss statistik för att kunna ge exempel för innebörden av snål- resp bristdimensionering. Övrigt visat material omfattade dels information rörande projektsambandet såsom konsekvenser av överdimensionering resp rätt dimensionering, sammanlagringseffekter, m m. Vidare presenterades också de viktigaste nyckelfrågorna i punktform som utgångspunkt för de fortsatta diskussionerna. Se avsnitt Marknadsundersökning I fortsättningen fördes en dialog med kunderna angående brist- eller snåldimensionering. De förväntade fördelarna och nackdelarna med reducerad anslutningseffekt diskuterades. Efter diskussionen sammanställdes minnesanteckningar som skickades till respektive UL. Vidare presenterades de samlade erfarenheterna och resultaten för projektets referensgrupp och de vid mötet deltagande UL. De synpunkter som framkom under mötet noterades och inarbetades i rapporten. 9

13 4 Regler och normer Frihetsgraden för snåldimensionering är begränsad genom en rad föreskrifter och regelverk som ser till att inomhusklimatet är drägligt. Vilket inneklimat som ska kunna upprätthållas och hur byggnader och byggnadssystem ska utformas regleras övergripande av lagar och styrs i detalj av olika myndigheter i författningssamlingar. Författningarna består av bindande föreskrifter samt råd och anvisningar som mer konkret beskriver hur föreskrifterna ska kunna uppnås eller anger vilka kriterier som gäller för att föreskrifterna ska anses vara uppfyllda. De författningssamlingar som är av intresse i denna rapport är framför allt de som reglerar det termiska inomhusklimatet i bostäder och på arbetsplatser. 4.1 Socialstyrelsens Författningssamling, SOSFS I Socialstyrelsens skrift Termiskt inomhusklimat, Allmänna råd från Socialstyrelsen 1988:2 (referens /3/) finns riktlinjer för hur inneklimatet ska bedömas och vilka gränser som gäller för bl.a. inomhustemperaturen. Enligt skriften bör den operativa temperaturen T op ligga inom intervallet 20 C till 24 C under den kalla årstiden. Om den operativa temperaturen är lägre än 18 C (20 C i barnstugor, sjukhem o.dyl.) när utetemperaturen inte varaktigt underskrider den för orten gällande dimensionerande utetemperaturen för byggnaden i fråga anses en sanitär olägenhet föreligga. T op tar hänsyn till den samlade inverkan av luftens och omgivande ytors temperaturer och används ofta som ett mått på hur människan uppfattar det termiska klimatet. Den riktade operativa temperaturen T rop tar dessutom hänsyn till temperaturstrålningsasymmetrin, dvs, risken för lokal nedkylning av enstaka kroppsdelar.) Socialstyrelsen arbetar nu med en uppdatering av skriften. 4.2 Arbetsmiljöverkets författningssamling, AFS Då förutsättningarna för olika arbetsplatser varierar finns ett flertal författningar som reglerar inomhusklimatet. Den som är mest tillämplig på sådana arbetsplatser som är fjärrvärmekunder är Arbetsplatsens utformning, AFS 2000:42, referens /4/. Lufttemperaturen bör vara minst 20 C för stillasittande, fysiskt mindre ansträngande arbete. Om lufttemperaturen vintertid varaktigt avviker från C anses att det termiska klimatet bör undersökas närmare. 4.3 Boverkets Författningssamling, BFS Boverkets föreskrifter anger bland annat vilka inomhustemperaturer som ska uppnås i byggnader där personer vistas och ger viss vägledning om vilken temperatur som bör hållas. (Detta regleras enligt ovan även av, bl.a. Socialstyrelsen och Arbetsmiljöverket.) De författningar som gäller inomhusmiljö, bl.a. termiskt inomhusklimat finns samlade i Boverkets Byggregler, BBR 99, referens /5/. 10

14 Föreskriften säger att: Byggnader som innehåller bostäder, arbetslokaler eller likvärdiga utrymmen där personer vistas mer än tillfälligt skall utformas så att ett tillfredsställande termiskt klimat kan erhållas. Vidare anges råd om hur föreskriftens krav ska uppfyllas. Bland annat ska byggnaden utformas så att vid dimensionerande utetemperatur ska den lägsta riktade operativa temperaturen i vistelsezonen vara 18 C i bostads- och arbetsrum och 20 C i barnstugor, sjukhem o. dyl. Ytterligare råd anger lämpliga värden för temperaturfördelning i rummet och ventilation. Föreskriften fastslår också att Värmeinstallationer skall utformas så att rumsluftens temperatur inte sjunker avsevärt vid extrema utetemperaturer. Vidare anges att den dimensionerande utetemperaturen ska väljas så att rumsluftens temperatur sjunker högst 3 C vid sådana temperaturer som statistiskt sett infaller högst en gång vart 20:e år. Bristdimensionering utöver Boverkets regler skulle alltså innebära att det rekommenderade minimumvärdet underskrids oftare än så. Det är anmärkningsvärt att i ingen av dessa föreskrifter sägs något om själva varaktigheten hos ett extremfall. I princip borde det finnas en skillnad om en bristsituation uppträder i 12 timmar eller 12 dygn. Överdimensionering har oftast rättfärdigats med gardering för extrema situationer. 11

15 5 Byggnaders respons på förändring av värmetillförsel 5.1 Byggnadens värmetröghet och tidskonstant Tidskonstanten Byggnadens värmelagringsförmåga och isolering avgör hur fort byggnadens temperatur anpassar sig till en förändring av utetemperaturen. Ett välisolerat hus med stor termisk massa kan lagra så mycket värme att endast en långvarig förändring av utetemperaturen ger utslag i huskroppens temperatur. Huset kan beskrivas vara värmetrögt. Byggnader med stor värmetröghet kan således lätt överbrygga köldknäppar. Byggnadens värmetröghet beskrivs ofta med dess tidskonstant τ 0. Tidskonstanten beskriver hur lång tid det tar för innetemperaturen att svara på en förändring av utetemperaturen och definieras här som kvoten av husets termiska massa och dess värmeförluster (se sid 5 för definition av beteckningarna). C m 1 τ 0 = (h) (1) U A P L Täljaren i ekv 1 är summan av alla byggnadsdelars termiska massa medan nämnaren består av summan av alla värmeförluster. Till värmeförlusten hör bla väggars och fönsters transmissionsförluster, köldbryggor samt uppvärmning av ventilationsluft och luftläckage. Vanliga betonghus har en tidskonstant τ 0 på h vilket kan jämföras med ett modernt småhus med lätt konstruktion, träregel och mineralull vars tidskonstant är h. Ekv 1 tar inte hänsyn till tillförd värme, men genom tillägg av en term för tillförd värme (P V ) i nämnaren kan dock detta korrigeras (ekv 2). C m 1 τ = (h) (2). U A + P L P V 3600 Till värmetillförseln räknas värme som kommer från värmesystemet, men även gratisvärme från hushållsel och personvärme. Genom värmetillförsel ökar den faktiska tidskonstanten τ. Fysikaliskt beskrivs rumsluftens temperaturförändring från rumstemperatur till uteluftens temperatur vid värmebortfall genom en e-funktion enligt ekv 3: T T rum ( t) Tute τ 0 = e T rum,0 ute t (3) I Figur 5.1 visas temperaturförloppet för en byggnad med tidskonstanten 100 h. Den initiala rumstemperaturen är 20 C och utetemperaturen -20 C. Efter att värmetillförseln har avbrutits börjar temperaturen sjunka. Vid en tid motsvarande tidskonstanten har temperaturdifferensen mellan rum och uteluft sjunkit till 1/e = 0,37 (eller med 63 % av skillnaden mellan den initiala rumstemperaturen och utetemperaturen); i exemplet i Figur 5.1 är T rum då således -5,3 C. 12

16 Tidskonstant för husvärmesystem Responstid Rumstemperatur C Tidskonstant τ 63% 37% 3 C t resp Tid (h) Figur 5.1: Förklaring av tidskonstanten för husuppvärmning (tidskonstant τ 0 = 100 h). Exempel för rumstemperatur 20 C och utetemperatur -20 C. Explanation of thedefinition of time constant for house heating. In this example the time constant τ 0 = 100 h, the room temperature is 20 C and the outdoor air temperature is -20 C Responstiden Rumstemperaturen tillåts normalt inte sjunka så långt som i vårt exempel ovan. Boverket tillåter att rumsluftens temperatur sjunker med 3 C någon enstaka gång. Vi är således intresserade av att veta, hur lång tid det tar för temperaturen i hus med olika värmetröghet att sjunka några enstaka grader. Figur 5.1 visar även den tid det tar för temperaturen att sjunka med T 3 C från den initiala rumstemperaturen 20 C. I exemplet motsvarar denna tid ca 8 h. Det finns ett enkelt samband mellan husets tidskonstant och responstiden : τ resp = τ 0 (T rum T ) T ln Trum Tute ute (4). För exemplet ovan, dvs tidskonstanten τ 0 = 100 h, den initiala rumstemperaturen = 20 C, utetemperaturen = -20 C och den tillåtna förändringen av rumstemperaturen T = 3 C, så blir responstiden 7,8 h. Detta betyder att responstiden endast är några procent av tidskonstanten, beroende på temperaturnivåerna. 13

17 5.1.3 Tidskonstanten vid samtidig värmetillförsel Om värmetillförseln inte bortfaller helt, utan endast temporärt reduceras med en viss andel, kommer temperaturförloppet att bli annorlunda. Om ingen värmetillförsel sker, dvs P V = 0 kommer rumstemperaturen att sjunka enligt Figur 5.1 och definitionen på husets tidskonstant τ 0 gäller. Om värmetillförseln däremot är lika stor som värmeförlusten ΣUA, går ekv 2 mot oändligt och rumstemperaturen är konstant. Reduceras den tillförda värmeeffekten så minskar husets faktiska tidskonstant τ. Tillförs en effekt som är hälften så stor som summan av värmeförlusterna, så har tidskonstanten det dubbla värdet av τ 0, dvs 200 h i exemplet ovan. På motsvarande sätt ökar responstiden τ resp. Sambandet för tidskonstanten är: τ = τ 0 /(1 k) (5) där PV k = (6) U A + PL Parametern k anger den relativa tillförda effekten, dvs förhållandet mellan tillförd värme och summan av alla värmeförluster. Det tar alltså ca 16 h för husets temperatur i exemplet ovan att minska med 3 C om värmeeffekten reduceras till hälften. För en termiskt lätt byggnad tar det då kanske 3-4 timmar för temperaturen att sjunka med 3 C. Tillförd värme/värmeförluster k 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 50% 90% Relativ tidskonstant τ/τ 0 Figur 5.2: Samband mellan förhållandet tillförd värme/värmeförlust och den relativa tidskonstanten. Connection between the relative heating power (supplied heat divided by heat loss) and the relative time constant. Figur 5.2 visar sambandet mellan tidskonstanten och den relativa tillförda effekten. Av figuren framgår att tidskonstanten τ går mot oändlig om den tillförda värmeeffekten är lika stor som 14

18 värmeförlusterna (dvs k = 1). En minskning av värmeeffekten från 100 % till 90 % av värmeförlusteffekten innebär k = 0,9 vilket innebär att den faktiska tidskonstanten är 10 ggr större än τ 0. Responstiden påverkas på motsvarande sätt. Det tar alltså flera dygn för rumstemperaturen i ett medeltungt hus att sjunka nämnvärt vid en smärre minskning av den tillförda effekten Samband mellan tidskonstanten och DUT Av det som sagts ovan framgår att tidskonstanten beskriver hur snabbt rumstemperaturen reagerar på förändring av utetemperaturen eller den tillförda värmeeffekten. Husets termiska tröghet har en integrerande verkan på temperatur- och effektvariationer. Eftersom de mest extrema utetemperaturerna sällan har längre varaktighet än något eller några dygn, så behöver tröga hus inte dimensioneras för dessa temperaturer. Beroende på husets tidskonstant och det lokala klimatet kan DUT väljas betydligt högre. Sambandet mellan dessa parametrar beskrivs i Svensk Standard SS , referens /6/. I kapitel 5.2 nedan beskrivs tillvägagångssättet för att välja DUT enligt denna. Valet av DUT styr hur stor den anslutna effekten behöver vara för en specifik byggnad. Det betyder i förlängningen att valet av DUT styr hur ofta, statistiskt sett, effektbrist kommer att uppstå i byggnaden. I standarden finns DUT baserade på extrema utetemperaturer som statistiskt inträffar med 5, 10, 20 och 30 års intervaller (benämns DUT 5, DUT 10, osv). Dimensioneras den anslutna effekten enligt DUT 20 kommer rumstemperaturen att sjunka 3 C en gång på 20 år (statistiskt sett), vilket överensstämmer med Boverkets krav. Ju oftare man accepterar sänkningar av rumstemperaturen desto högre DUT kan väljas. DUT C Figur 5.3: Samband mellan Bristfrekvens och DUT Tidskonstant τ ο 300h 100h 25h Bristfrekvens (år) Samband mellan bristfrekvens och DUT för Stockholms innerstad Frequency of deficiency vs. dimensioning temperature DUT for Stockholm city. Kopplingen mellan olika DUT och den förväntade bristfrekvensen beskrivs i Figur 5.3. Av Figur 5.3 framgår att om DUT väljs 2 C högre än DUT 20 kommer bristfrekvensen att öka, från 15

19 vart 20:e år till ca vart 10:e år. Motsvarande höjning med 4 C innebär en fyrdubbling av bristfrekvensen så att brist uppstår i genomsnitt ungefär vart 5:e år. En höjning av DUT med 4 C motsvarar, för en byggnad i Stockholm, en reducering av den anslutna värmeeffekten med ca %. Det innebär med andra ord att om den anslutna effekten reduceras med ca 10 % tillåts rumstemperaturen sjunka med 3 C eller mer vart 5:e år istället för vart 20:e år. 5.2 Beräkning av värmeeffektbehov Nedan beskrivs hur effektbehovet för en byggnad beräknas. Här förutsätts dock att alla erforderliga uppgifter finns tillgängliga. Så är ofta inte fallet när en befintlig byggnad ska anslutas till ett fjärrvärmenät. Vid nybyggnation däremot bör alla uppgifter finnas att tillgå. Den anslutna värmeeffekten ska motsvara byggnadens totala värmeförluster vid en viss dimensionerande utetemperatur, DUT, som väljs med hänsyn till byggnadens geografiska läge och dess tidskonstant. Därefter kan erforderlig värmeeffekt beräknas. Värmeförlusterna består av transmissionsförluster (värmeförluster genom byggnadens skal, ekv.6) och ventilationsförluster (uppvärmd luft som förloras till omgivningen, ekv.7 eller ekv.8). Byggnadens totala värmebehov kan alltså sammanfattas i ekv.9. Effektbehov för transmission: P = U A ( T DUT) (6) Effektbehov för ventilation: P = q c ρ ( T DUT) (7) Totala effektbehovet för uppvärmning: T L rum rum eller, förenklat med formeln: P = 0,33 n V ( T DUT) (8) L V T L rum P = P + P (9) Vid en korrekt utförd installation, där man tagit hänsyn till alla faktorer, kommer den anslutna värmeeffekten att klara byggnadens värmeförluster vid utetemperaturer ned till vald DUT. Sjunker utetemperaturen ytterligare kommer den tillförda effekten inte längre att räcka till. Den värme som finns lagrad i byggnaden kommer då att kompensera för bristen i tillförd effekt vilket innebär att rumstemperaturen inte sjunker märkbart vid kortare köldperioder. Vid perioder med långvariga låga utetemperaturer kommer naturligtvis rumstemperaturen att sjunka. Är den anslutna effekten väl avvägd, dvs om DUT är vald med omsorg, inträffar dessa perioder med intervaller som kan accepteras. Hur man väljer DUT baserat på byggnadens geografiska läge och tidskonstant beskrivs i Svensk Standard /6/. För att Boverkets minimikrav ska vara uppfyllda ska DUT 20 väljas. DUT 20 utläses i diagram Figur 5.4 med hjälp av ortens normaltemperatur för januari (från Tabell 5.1) och byggnadens tidskonstant. I standarden finns även normaltemperaturer för andra orter. Exempel: För Stockholms innerstad gäller att den statistiska medeltemperaturen i januari ϑ jan är -2,9 C. En byggnad med tidskonstanten τ h belägen i Stockholms innerstad bör alltså dimensioneras för en utetemperatur på -15,2 C. På motsvarande sätt blir DUT -19,4 C för ett hus med τ 0 25 h medan ett hus med τ h klarar sig med DUT -10,5 C. 16

20 Med andra ord kan den installerade värmeeffekten i hus med stor tidskonstant väljas lägre än motsvarande hus med kort tidskonstant. Få husbyggare dimensionerar dock värmesystemet för så höga DUT, vilket innebär att det finns gott om inbyggda effektreserver i de flesta äldre byggnader. Efterhand som de krav som ställs på inomhusklimat och energieffektivitet har ändrats har även de tekniska krav som ställs på t.ex. isoleringsförmåga och ventilation reviderats. Detta har inneburit att de metoder som används för att beräkna värmeeffektbehovet har varierat. I byggnader dimensionerade enligt äldre byggnadsstandarder torde den installerade värmeeffekten vara ännu högre än motsvarande byggnad dimensionerad enligt nuvarande byggregler. Tabell 5.1: Normaltemperaturer för olika orter i Sverige Normal temperatures for different locations in Sweden 17