SÅ MYCKET ENERGI KAN VI SPARA KOSTNADSEFFEKTIVT

Transkript

1 SÅ MYCKET ENERGI KAN VI SPARA KOSTNADSEFFEKTIVT - Lite teori och två praktikexempel med värmepump Chalmers tekniska högskola

2 OLIKA PERSPEKTIV PÅ BESPARING Energibesparing - Köpt, använd eller primär? T Ekonomisk besparing - Privat/företagsekonomi - Samhällsekonomi: Regering, IVA T 2 Q Q 2 W Tekniska förutsättningar: Temperatur och hjälpeffekt EXEMPEL FRÅN PRAKTIKEN : Ombyggnad av småhus 2: Ombyggnad av kontorshus Driftsäkerhet Ekonomi Inre miljö Information, övervakning, mätning Val av energisystem Yttre miljö Bekvämlighet

3 Energi ENERGI I BYGGNADER Brutto (använd) energi Behov = min. användning Användning = behov + onödigt Netto = användning - återvunnet Brutto = netto + förluster Köpt = brutto - gratis energi Gratisenergi Köpt energi Netto energi Användare BEHOV Utvinning Förädling Transport El-kraft Kraftvärme Värme Kyla Hushåll, apparater, verksamhet, fastighet el. Varmvatten Värmesystem Kylsystem Skilj på behov, användning, tillförd och köpt energi! Statistiken redovisar bara köpt energi; > 4 TWh saknas för vp

4 Energi 2 IVA s Energiframsyn, svensk framtid? Energibehov [MWh/år] Apparater Belysning Ventilation Varmvatten Rumsvärme Potential för energieffektivisering i småhus (IVA) Apparater Belysning Ventilation Varmvatten Rumsvärme År Halvering av dagens energianvändning till år 2050 Halvering av köpt energi är lätt redan idag!

5 Ekonomi KONKURRERANDE ALTERNATIV Investering - värmepump - värmekälla - värmesänka Elpris - rak taxa - tariff taxa Kostnad för alternativ till värmepump Alternativ energikostnad (kr/kwh),50,00 0,50 0,00 Kapitalkostnad = 0,50 kr/kwh När lönar sig värmepump? El-värme billigast Alternativ energi billigast 0,00 0,50,00,50 El-pris (kr/kwh) COP = 2 COP = 3 COP = 4 COP = 5 Dimensionering? Jämför skiftet 985!

6 Ekonomi 2 DIMENSIONERING Värmekostnad = Investering annuitetsfaktor + rörlig kostnad Effekt, P [kw] P dim Q tva Utnyttjandetid [ h] Q[ kwh] Q [ ] Q dim kw K 8760 Inv Tid [h/år] ( Värmepump x ) a K el, a SPF Inv = inv. kostnad [kr/kw] x = andel underhåll av inv. = utnyttjningstid [h] SPF = årsvärmefaktor [-] [ kr / Tillsatsvärme p.s.s. kwh] OBS! Både effekt och temperatur kan begränsa täckningsgraden

7 Ekonomi 3 UTNYTTJANDETID Utnyttjandetid för värmeanläggning Q T.ex va, D u, va Q va, D u, va [h/år] Varaktighetsdiagram: Stockholm Utnyttjandetid för värmepumpsanläggning u, [ h] Q Q [ kwh] [ kw ] Temperatur [ C] 0 0 Q Q q ( p ) u, p u, va -0 Q TVA Q TVA Tid [%]

8 Ekonomi 4 DIMENSIONERING - Effekt och energi Effekttäckning värme p [kw /kw va,d ] - Effektkostnad I [SEK/kW ] Energitäckning värme q = q (p ) [-] - Klimat - Byggnad - Dimensionering - Energikostnad K [SEK/kWh ] Energitäckningsgrad [-] T.ex. Stockholm,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 y = 0,9907x 4 -,247x 3 -,3724x 2 + 2,6298x + 0,0002 R 2 = 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8,0 Effekttäckningsgrad x [-]

9 Ekonomi 5 DIMENSIONERING - Kapitalkostnad för värmepumpsvärme Installationsteknik Investeringskostnad - I = SEK/kW - I 2 = SEK/kW Kapitalkostnad för värme K = K (p ) K I a q p ( p ) u, va K I ( p) 0.6 K I2 ( p) 0.4 Kapitalkostnad för värme som funktion av effekttäckningen p

10 Ekonomi 6 DIMENSIONERING - Total kostnad för värmepumpsvärme Investeringskostnad - I = SEK/kW - I 2 = SEK/kW Värmekostnad som funktion av effekttäckning Driftskostnad - drift (el), K el SFP = 3 - underhåll K K I, K SFP el 0.8 K hp ( p) 0.6 K hp2 ( p) p

11 Ekonomi 7 DIMENSIONERING - Total värmekostnad K tot q ( p ) K ( p ) K q ( p ) Värmepumpsvärme, K - Kapital (hög) - Drift (låg); SFP = 3 Tillsatsvärme, K tva - Kapital (låg) - Drift (hög) Alt.: SEK/kWh, Alt. 2: 2 SEK/kWh K tot ( p) K tot2 ( p) K tot.2 ( p) tva Värmekostnad K tva p

12 Ekonomi 8 OPTIMAL EKONOMISK DIMENSIONERING Total kostnad K tot Q Q tot K Q Q tot K tva [ kr / kwh] Värmekostnad [kr/kwh] K tot K tva K 0 0,5,0 Effekttäckningsgrad [kw/kw dim ] Effekttaxa kan premiera täckningsgrad VP sparar bara vid drift! Kostnad för VP, värmekälla och värmesänka ökar med storlek Övereffekt låg utnyttjningstid Tumregel: 50 % effekt % energitäckning Kapacitetsreglering ger alternativ till TVA

13 Teori VÄRMEPUMPAR OCH TERMODYNAMIKENS 2:a HUVUDSATS Värmekraftprocess - Värme kan inte helt omvandlas till arbete (det blir alltid spillvärme) Installationsteknik Värmepumpsprocess - Värme kan inte gå från låg till hög temperatur utan tillsats av arbete T Q T Q W W T 2 T W Q Q Q Q Q 2 2 T T T 2 T T 2 T 2 COP C COP2 C Q 2 Q W Q W 2 T T T T T 2 2 T 2

14 Teori 2 EXEMPEL COP C = T /(T - T 2 ) - t = 20 C, t 2 = 0 C Q T COP C = 4,7 t rum = 20 C W em t vbut t vbin "pumphöjd" - t = 50 C, t 2 = -0 C COP C = 5,4 t källa = 0 C t kbin Q 2 T 2 t kbut COP vp = Q /W em C = COP vp / COP C Komponenter C = 0,5 till 0,8 COP vp = 2,7 till 4,3

15 Teori 3 Installationsteknik BEHOV AV KÖPT ENERGI - TEMPERATURNIVÅ OCH HJÄLPEFFEKTER Köpt energi = Q/COP; Inverkan på COP - Temperaturnivåer och drivenergier: COP COP W W e, vp e, vp Tkb T T T T Exempel med återladdning - Tkb = +4 K borde ge COP/COP +0 % - Men Tvb >+4 K, we,p/we,vp = % - Total minskning %! 2 T T 2 T vb 2 W W e, p e, vp

16 Teori 4 5 HUR STOR ÄR EN VÄRMEPUMP? Effekt [kw] II (mät.): P, 35 C II (reg.): P, 35 C II (mät.): P, 50 C II (reg.): P, 50 C II (mät.): Pe, 35 C II (reg.): Pe, 35 C II (mät.): Pe, 50 C II (reg.): Pe, 50 C t kbin [ C] 5 0 Dimensionera upp värmekälla och värmesänka större vp Ex. ovan ökning 2,5 kw (56 %) ökat investeringsutrymme SEK med I = SEK/kW (t.ex m borrhål + 5 extra radiatorer)

17 Praktik MARKVÄRME MED VÄRMEPUMP - Värme, kyla (frikyla) och lagring i berg Installationsteknik Solstrålning Nederbörd Värmestrålning Värmekälla Värmesänka Värmelager Grundvattenflöde i berg Värmeledning i berg Borrhål Borrhål Geotermiskt värmeflöde Borrhål Borrhål 0-20 m Neutral zon Påverkas av årstidsväxlingar Temperatur stabil i tiden Ökar med ökande djup

18 Praktik I-2 SMÅHUS: FÖRUTSÄTTNINGAR Borås (Nutek/STEM referens) - Klimatzon 4, t år = +5,8 C Byggnad: 977, fristående - BRA = m 2 - torpargrund - isolering 2 cm (U 0,35 W/m 2 /K), - fönster 2-glas (U 2 W/m 2 /K) Installationer: - F-ventilation, 65 m 3 /h (0,5 oms/h) - Direktel, 0,3 kw - El-beredare, 300 liter,,5/3 kw Totalt köpt energi: - 25 MWh/år, 67 kwh/m 2 /år Pris [SEK/kWh] 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,0 0,00 Elprisets utveckling Moms Energiskatt Fast kostnad Energipris År

19 Praktik I-3 VINNARKONCEPT Fast pris SEK - värmepump ca. 4 kw - borrhål 60 m - fläktkonvektor ca. 4 kw Tillägg SEK - större fläktkonvektor - en radiator Förväntad besparing kwh/år (uppvärmning) Utvärdering + förberedelse av framtida modifieringar

20 Praktik I-4 Installationsteknik BERÄKNAD SPF FÖR VINNARKONCEPTET + TÄNKBARA FÖRBÄTTRINGAR. Tävlingsförslag 2. Återladdning 3. Pumpdrift 4. Lastanpassning (ackumulator) COP [-] Värmefaktor för olika konverteringsalternativ Lågtemperatursystem 40/30 V: IV plus lågtemperatursystem (40/30) IV: III plus lastanpassning III = II plus effektiv pumpdrift II = I plus återladdning I = enligt värmepumpstävling 5. Lågtemperatursystem Lastanpassning Distribution (effektiva pumpar) Värmekällan (återladdning) t ute [ C]

21 Praktik I-5 OMBYGGNAD : VINNARKONCEPTET Enkel värmepump ( kylskåpsmodul 0,6x0,6x0,6 m) Styrenhet Värmepump P Enkel styrning (utetemperaturbaserad kurvstyrning ) Borrhål t wi L Fläktkonvektor Enkelt värmesystem (fläktkonvektor + bibehållna el-radiatorer) Bibehållen el-beredare

22 Praktik I-6 OMBYGGNAD : RESULTAT Visthusgatan 6: Veckomedelvärden 996 Temperatur [ C] Tvb,ut Tluft,ut Tluft,in Tkb,in Tute Månad [nr] Besparing ca kwh på uppvärmning Nuvärde SEK ( SEK/kWh, 5 år) Investering SEK

23 Praktik I-7 OMBYGGNAD 2: RESULTAT Köldbärartemperaturen ökar Men värmefaktorn minskar! Varför? Temperatur [ C] Köldbärartemperatur med och utan återladdning Veckomedelvärden Med återladdning Utan återladdning Tkbin 00/0 Tkbut 00/0 Tkbin Utetemperatur [ C] Värmefaktor 4,0 COP vp-96 COP [-] 3,5 3,0 2,5 2,0,5 COPvp COP COP* COPf COPvp-96 Veckomedelvärden år 2000 COP vp COP f COP, Utetemperatur [ C]

24 Praktik I-8 Installationsteknik OMBYGGNAD 3+4: STYRNING OCH LASTANPASSNING Varför enkelt när man kan göra det så vackert komplicerat? Värmepump 2 Återladdning P3 VV 3 Pumpdrift 4. Specialtank Styrenhet P t tank t tank2 Värmepump VVdel Värmedel P2 Värmesystem t rum VVX KV 4.2 Styrsystem Borrhål t vbin

25 Praktik I-9 SAMMANFATTNING EXEMPEL Typiskt 70-tals direktelvärmt småhus med lägre specifik energianvändning än moderna passivhus Besparing: 25 MWh/år 9 MWh /år - 4,5 MWh/år för värme och varmvatten - 33 kwh/m 2 /år 30 kwh/m 2 /år - 67 kwh/m 2 /år 60 kwh/m 2 /år Bättre styrning av inomhusklimatet än i passivhus Ekonomi: Rak pay-off 5 år, nuvärde SEK - Investering ca SEK, besparing ca SEK/år

26 Praktik II- KONTORSBYGGNAD I LUND Byggnadsbeskrivning Solstrålning - Byggnad: m 2 - Ventilation: VAV/CAV med FTX - Värme: Radiatorer - Kyla: Kyld tilluft Besparing (köpt energi) - Värmeåtervinning - VAV/DCV - Värme ur mark - Frikyla: uteluft - Frikyla: låg marktemperatur med säsongslager Grundvattenflöde i berg Värmeledning i berg Nederbörd Borrhål Borrhål Geotermiskt värmeflöde Borrhål Borrhål Värmestrålning 0-20 m Neutral zon Påverkas av årstidsväxlingar Temperatur stabil i tiden Ökar med ökande djup

27 Praktik II-2 KONTORSHUS: TILLÄMPNING MED FRIKYLA Rätt förhållande mellan värme- och kylbehov ger stor andel frikyla Rektangulära borrhålssystem Astronomihuset i Lund (köpt kyla + värme): < 28 kwh/m 2 /år; < 0 W/m 2! /0 av normalt! Värmepump som spets för kyla/värme? El [W/m2] Effekt [W/m2] ,0 20,0 0,0 0,0 Varaktighetsdiagram för kyl- och värmeeffekt Tillsatsvärme, Q tva /A 8 kwh/m 2 BTA per å Varaktighetsdiagram för el-effektbehov 20 00,0 0 90,0 0 80,0-0 Frikyla, Q berg /A 70,0 25 kwh/m2 BTA per år ,0 Värmepumpskyla, Q 2 /A kwh/m2 BTA per år 50, h , Värmepump, W e /A 9,6 kwh/m 2 BTA per år Värmepump, Q /A 89 kwh/m 2 BTA per år Värmepump kyla/värme [h] [h] 8760 h

28 Praktik II-3 Värme SPF vp = 4,6 SPF = 4,3 SPF va = 3,4 Kyla SPF ka = 7 Värme + kyla SPF v+k,a = 4,4 RESULTAT Årlig energianvändning MWh kwh per m 2 Värmebehov Värmetillförsel Värmepump Tillsats 40 8 Kylbehov Värmebortförsel Frikyla Värmepump (v+k) 5 3 Värmepump (k) 0 2 El Kompressor Pumpar 7.3

29 Praktik II-4 SAMMANFATTNING EXEMPEL 2 Investeringskostnad SEK/kW värme Värme + kyla ger stor besparing och hög utnyttjandetid Mycket stor minskning av köpt energi Besparing av köpt energi i förhållande till fjärrvärme + fjärrkyla ca SEK/år Investeringsutrymme > SEK/kW värme GRATISENERGI FINNS INTE! (Kapitalkostnad och drivenergi till hjälpapparater)