JÄMFÖRELSE AV ENERGIBERÄKNINGSPROGRAM - MED HÄNSYN TILL EU-DIREKTIVET OM BYGGNADERS ENERGIPRESTANDA

Transkript

1 Examensarbete 10 poäng C-nivå JÄMFÖRELSE AV ENERGIBERÄKNINGSPROGRAM - MED HÄNSYN TILL EU-DIREKTIVET OM BYGGNADERS ENERGIPRESTANDA Reg.kod: Oru-Te-EXA096-B105/05 Jonas Jansson och Mikael Wetterstrand Byggingenjörsprogrammet 120 p Örebro höstterminen 2005 Examinator: Stefan Petersson COMPARISONS BETWEEN PROGRAMS FOR CALCULATING ENERGY USE IN BUILDINGS. -CONSIDERING THE EU-DIRECTIVE FOR BUILDINGS ENERGY PERFORMANCE Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of technology Örebro SE Örebro, Sweden

2 Förord Idén till detta examensarbete grundar sig från början på den information som kom till oss ryktesvägen om att byggnader skulle energideklareras. Det väckte en del tankar och funderingar om hur det skulle gå till och vad det skulle innebära för byggbranschen. Efter att vi sökt mer information om det bakomliggande EU- direktivet om byggnaders energiprestanda, fick vi en klarare bild av området. Det var från första början inte klart åt vilket håll arbetet skulle utvecklas, om vi skulle rikta in oss på problemställningar gällande EU-direktivet eller om vi skulle analysera själva genomförandet av energideklarationerna. Vi enades tillslut om att granska energiberäkningsprogram med avseende på genomförandet av deklarationerna. Ett stort tack vill vi rikta till vår handläggare professor Christer Harrysson vid institutionen för teknik på Örebro Universitet för sitt engagemang. Tack även till de personer som hjälpt oss med tillhandahållandet och lån av energiberäkningsprogram. Örebro mars 2007 Jonas Jansson Mikael Wetterstrand II

3 Sammanfattning Ett nytt EU-direktiv om byggnaders energiprestanda antogs av europaparlamentet och Europeiska unionens råd den 16 december Direktivets huvudsyfte är att minska energianvändningen i bebyggelsen och få ner utsläppen av klimatpåverkande gaser. Mot bakgrund av detta träder en ny Svensk lag i kraft den 1 oktober Lagen innebär i korthet att fastighetsägare blir skyldiga att med hjälp av en oberoende energiexpert upprätta en energideklaration. Huvudsyftet med detta arbete är att utvärdera olika energiberäkningsprogram/metoder med avseende på användarvänlighet, skillnader i beräkningsresultat mellan programmen och hur väl beräkningsresultaten stämmer med uppmätta värden på utvalda referensobjekt. För energibehovsberäkning av byggnader finns idag ett flertal energiberäkningsprogram att tillgå på marknaden. Programmen är framtagna för olika beräkningsändamål och har olika komplexitet. I detta examensarbete har fyra energiberäkningsprogram/metoder undersökts, energiberäkningsprogrammen Enorm 2004, VIP+3.0, Leca Energy 1.07 samt en handberäkningsmetod av Hans Lönn. Två byggnader har valts som referensobjekt för att genomföra energiberäkningarna på. Dessa byggnader har en uppmätt och dokumenterad energianvändning som beräkningsresultaten kan jämföras mot. Studien visar på ett jämnt resultat i beräkningsvärden mellan programmen och mellan program och referensobjekt. Det kan dock konstateras att en standardisering av beräkningsmetoder är nödvändig inför genomförandet av energideklarationerna. Enklare byggnader kräver inte lika avancerade beräkningsmetoder som mer komplexa byggnader gör. III

4 Abstract A new EU-directive about building energy performance admitted 16 December 2002 by the European parliament and the European Union council. The main purpose of the directive is to reduce the energy use in buildings and reducing the discharge of gas that creates climate pollution. In order to react, a new Swedish law takes effect the 1 October In short terms the law will oblige the owner of a building to establish an energy declaration with help from an energy expert. The main purpose with this project is to evaluate different energy calculation methods considering how user friendly they are, differences between calculation results of the programs and how well the results comply between the measured values when applied to reference buildings and the calculated results. There are several energy calculation programs on the market today. The programs are developed for different calculation purposes and differ in complexities. In this paper, four calculation programs have been examined, Enorm 2004, VIP+ 3.0, Leca Energy 1.07 and a manual calculation model by Hans Lönn. To establish the energy calculation two buildings have been chosen as reference objects. The energy use on these building has been measured and documented; to which the calculation results could be compared. The study shows that the calculation values between the programs and between the programs and reference object are approximately similar. It can be established that for an energy declaration a standardisation of the calculation programs should be necessary. Less complex buildings do not need to be calculated with advanced methods like more complex buildings need. IV

5 1. INLEDNING Bakgrund Syfte Avgränsningar Metod Nuläget Sveriges energianvändning TEORI Energibalans Transmissionsförluster Ventilationsförluster Gratisvärmetillskott Värmeenergibehov beräknat med gradtimmar ENERGIBERÄKNINGSPROGRAM Energiberäkningsprogram Metod för energibehovsberäkning Stationära beräkningsmetoder Instationära beräkningsmetoder Valda energiberäkningsprogram Hans Lönn (Handberäkningsmetod) Enorm Leca Energy VIP BYGGNADER Val av byggnader Beskrivning av byggnader Kållered, Göteborg Torstorp, Svenljunga GENOMFÖRANDE Modellering Indata Uppmätta värden Korrigeringar RESULTAT OCH ANALYS Kållered Resultat och analys Torstorp Resultat och analys DISKUSSION SLUTSATSER REFERENSER Tryckta källor Elektroniska källor Muntliga källor BILAGOR Mall Handberäkning, Hans Lönn Bildstudie Enorm Bildstudie Leca Energy Bildstudie VIP Plan och fasad, Kållered Plan och fasad, Torstorp V

6 1. INLEDNING 1.1. Bakgrund Ett nytt EU-direktiv om byggnaders energiprestanda antogs av Europaparlamentet och Europeiska unionens råd den 16 december Direktivet trädde ikraft samma dag som det publicerades i Europeiska gemenskapens officiella tidning, det vill säga den 4 januari Medlemsstaterna har därefter tre år på sig att sätta ikraft de bestämmelser och lagar som är nödvändiga för genomförandet av direktivet 1. Huvudsyftet med EU-direktivet är att minska energianvändningen i bebyggelsen minska utsläppen av klimatpåverkande gaser minska EU: s importberoende av energi Mot bakgrund av EU-direktivet om byggnaders energiprestanda har regeringens utredning Energideklarering av byggnader - för effektivare energianvändning (SOU 2004: 109) lagts fram. Utredningen om byggnaders energiprestanda föreslår att en lag om energideklaration av byggnader införs den 1 oktober Lagen innebär i korthet att fastighetsägare blir skyldiga att med hjälp av en oberoende energiexpert upprätta en energideklaration när en byggnad ska uppföras, innan en byggnad säljs eller en bostad/lokal ska hyras ut eller en bostadsrätt ska överlåtas. När det gäller energiberäkningsprogram konstateras i statens offentliga utredning (SOU 2004: 109) att det inte finns något passande program på den svenska marknaden i dagsläget, även om kunskapen inom området anses vara god. Programmen måste alltså tas fram 3. Det finns dock en stor mängd energiberäkningsprogram att tillgå, både på den svenska och den internationella marknaden. Alla program är framtagna med olika syften och med en varierande komplexitet. Energianvändning kan beräknas i olika skeden för en fastighet: Vid projektering och nybyggnation. För att uppskatta energianvändningen för byggnad som ännu ej uppförts. Av befintliga byggnader. För att bestämma en referensnivå, hur mycket energi som är nödvändigt att den aktuella byggnaden använder. Mot bakgrund av EU-direktivet arbetar ett flertal programmakare med att skapa och anpassa programvaror till kommande standard för beräkning av byggnaders energiprestanda. De program som finns att tillgå i dagsläget är ännu inte certifierade enligt den kommande standarden. 1 Schultz, Linda och EFFEKTIV: Energicertifiering, EU-direktivet om byggnaders energiprestanda. 2 Regeringen (2006): Pressmeddelande 1 oktober, 2006, Lagrådsremiss om energideklarationer. 3 Statens Offentliga Utredningar, SOU 2004:109 (2004): Energideklarering av byggnader, För effektivare energianvändning, Edita Nordstedts Tryckeri AB, Stockholm. ISBN X, ISS X, s

7 1.2. Syfte Huvudsyftet med detta arbete är att utvärdera olika energiberäkningsprogram/metoder med avseende på Användarvänlighet Skillnader i beräkningsresultat mellan programmen Överensstämmelse med uppmätta resultat på utvalda referensobjekt Syftet med att göra jämförelser mellan energiberäkningsprogram är att belysa vikten av en standardisering av beräkningsmetoder. Vidare är arbetets syfte att uppmärksamma olika energiberäkningsmetoder med anledning av den nya lagen om energideklarationer av byggnader som träder i kraft den 1 oktober Med den nya lagen följer även nya standarder för hur energiberäkningar skall genomföras, detta för att säkerställa kvalitén på utförda beräkningar Avgränsningar Det finns ett stort utbud av energiberäkningsprogram för byggnader på marknaden. Avsikten med detta arbete har inte varit att utvärdera alla tillgängliga program, utan vi har begränsat oss till fyra olika beräkningsmetoder/program. Då det är svårt att tränga in i och få tillgång till hur beräkningar genomförs, i dessa fall förutsatt att standarder för beräkningar som programmen hänvisar till är korrekta. De valda beräkningsprogrammen är av olika komplexitet och kräver olika mängd indata för att kunna genomföra en energiberäkning. Målet är att alla indata skall vara lika för alla program, men då detta inte är möjligt på grund av programmens olikheter används samma indata så långt som möjligt. Beaktandet av köldbryggor behandlas olika i alla beräkningsprogram och har därför korrigerats i beräkningarna. Syftet är inte att peka ut det program som stämmer bäst överens med uppmätta värden på referensobjekten, utan att belysa de skillnader som eventuellt uppstår i beräkningsresultaten mellan program mot verklighet. 2

8 1.4. Metod För att utvärdera de fyra energiberäkningsprogrammen, Enorm 2004, VIP+3.0, Leca energy och handberäkningsmetoden av Hans Lönn har två referensbyggnader valts för att genomföra beräkningar på. Dessa byggnader har en uppmätt och dokumenterad energianvändning. Arbetet med de energiberäkningar som skall genomföras är uppdelat två delar. I den första delen utförs beräkningar med normvärden och normalårstemperaturer. I den andra delen görs korrigeringar för uppmätta värden från de aktuella byggnaderna. Dessutom görs korrigeringar av utomhustemperaturen för det aktuella året då mätningar är utförda. Tillvägagångssätt för arbetet beskrivet i stora drag: Förarbete Undersökning av marknaden efter tillgängliga beräkningsprogram. Sätta sig in i valda beräkningsprogram. Välja lämpliga byggnader, samt att samla in data om dessa. Energiberäkning, första delen Modellering av de båda byggnaderna i programmen. Alla indata kontrolleras mot varandra och eventuella skillnader noteras. Beräkningar av de två byggnaderna med de olika programmen genomförs. Resultat jämförs mellan programmen. Energiberäkning, andra delen Korrigeringar av indata (till uppmätta värden) Korrigeringar för utomhustemperaturen för aktuellt år. Resultat jämförs mellan programmen och mot de aktuella byggnaderna. Efterarbete Analys av beräkningsresultat. Analys över eventuella felkällor. 3

9 1.5. Nuläget En av huvudpunkterna i EU-direktivet om byggnaders energiprestanda är att minska energianvändningen i bebyggelsen. Bebyggelsen står för en stor del av energianvändningen i vårt samhälle och det finns alltså en stor potential i bebyggelsesektorn för energibesparingar. Dagens samhälle är beroende av energi för uppvärmning, belysning och till apparater, för att förflytta oss och för produktion och distribution av varor och tjänster. Energianvändningen påverkas till stor del av den ekonomiska och den tekniska utvecklingen. Energianvändningen påverkas även av priser och de styrmedel som används i energi- och miljöpolitiken Sveriges energianvändning Energianvändningen kan delas upp på sektorerna bostäder och service, industri samt transporter. Energianvändningen i sektorn bostäder och service uppgick år 2003 till 156,5 TWh, vilket motsvarade ca 39 % av Sveriges totala slutliga energianvändning. Bostäder och lokaler står för 86 % av energianvändningen i sektorn bostäder och service. Antalet bostäder i landet har ökat med nästan 40 % under perioden 1970 till Trots att antalet bostäder ökat under denna period har den totala energianvändningen i sektorn varit relativ stabil. Den stora förändringen i energianvändningen har skett i fördelningen mellan olika energislag, se figur 1.1. Figur 1.1 slutlig energianvändning inom sektorn bostäder och service per energislag Figur 1.2 Sveriges totala energianvändning, exklusive nettoexport åren Orsakerna till att energianvändningen varit relativ stabil beror till stor del på energikrisen under 70-talet då en övergång av energislag för uppvärmning skedde, från olja till el och fjärrvärme. I och med oljekrisen följde också en del energibesparande åtgärder som tilläggsisolering och fönsterbyten, vilket leder till en minskad total energianvändning. Antalet värmepumpar har ökat mycket kraftigt under de senaste åren vilket till stor del beror på det höga oljepriset, men även att priset för el blivit högre. 4 Statens energimyndighet (2005): Energiläget

10 2. TEORI Kapitlet behandlar teori och begrepp om energibehov för byggnader Energibalans Ett av de krav som ställs på inomhusklimatet är temperaturkomforten. Oavsett vilket väder som råder utanför huset så måste rumstemperaturen ligga på en komfortabel nivå. Så snart temperaturen utomhus är lägre än inne börjar värme strömma ut från byggnaden, vilket innebär att den värme som lämnar byggnaden måste på något sätt ersättas för att bibehålla den önskade inomhustemperaturen. Varje byggnad är unik vad gäller dess energianvändning och påverkas av en mängd olika faktorer, vilka dessutom varierar över året. Genom att studera ritningar och undersöka fastighetens installationer får man en bra bas för att kunna beräkna och uppskatta byggnadens energibehov. Energibalansen för byggnader utgörs av att lika mycket energi som används måste tillföras. 5 E använd = E tillförd (1) Sambandet i ekvationen mellan tillförd och använd energi är enkelt, men innehåller många parametrar, se figur 2.1 på sida 7. Värme transporteras i byggnaden genom transmission, ventilation, ofrivillig ventilation och förluster via avloppet. För att kompensera värmeförlusterna tillförs värme från husets uppvärmningssystem. Värme från ventilationssystemet kan återvinnas till uppvärmning av luft och vatten. Energi behövs även för att värma tappvatten och för att driva apparater och hushållsutrustning. Apparaterna alstrar i sin tur värme som tillförs byggnaden, även värme från människor och solinstrålning tillförs byggnaden och tillsammans skapar dessa parametrar byggnadens energibalans. Q akt.byggnad = Q T + Q v + Q I + Q TTV Q Å Q tillskott [Wh] 6 (2) Q T Q v Q I Q TTV Q Å Q tillskott Värmeförlust p.g.a. transmission Värmeförlust p.g.a. ventilation Värmeförlust p.g.a. ofrivillig ventilation Energianvändning för tappvarmvatten Återvunnen värmeenergimängd netto, med hänsyn tagen till drivenergi, kanalförluster, reglerförluster etc. Värmetillskott (värme från apparater, människor och solinstrålning) 5 Svensk Standard, S ds-en ISO 13790:2004 (2005): Thermal performance of buildings- Calculation of energy use for space heating (ISO 13790:2004), SIS Förlag AB, Stockholm. ICS Boverket (2003): Termiska beräkningar, Rumsklimat, värmeisolering, transmissonsförluster och omfördelningsberäkning, AB Dangårds grafiska. Upplaga 1. ISBN

11 Figur 2.1 Schematisk illustration över huvudtermerna i energibalansen 7. Q Q oa Q r Q hs Q m Q s Q g Q g Q h Q v Q vr Q T Q hw Q L Energianvändning för uppvärmning Gratisenergi från apparater Återvunnen energi Förluster från värmesystemet Gratisenergi från människor Gratisenergi från solinstrålning Total gratisenergi Användbar gratisenergi Använd värme Värmeförlust p.g.a. ventilation Återvunnen värme från ventilationen Värmeförlust p.g.a. transmission Energianvändning för tappvarmvatten Total värmeförlust 1 Gräns för uppvärmningszon 2 Gräns för varmvattensystemet 3 Gräns för värmeanläggning 4 Gräns för byggnaden 7 Svensk Standard, SS-EN ISO 13790:2004 (2005): Thermal performance of buildings- Calculation of energy use for space heating (ISO 13790:2004), SIS Förlag AB, Stockholm. ICS , sidan

12 2.2. Transmissionsförluster Med transmissionsförluster menas de sammanlagda energiförluster som sker genom byggnadens omslutande delar som väggar, tak, golv, dörrar och fönster. I transmissionsförlusterna medräknas även punktformiga och linjära köldbryggor, vilket betyder att konstruktionen lokalt har ett sämre U-värde, dvs. en större värmeförlust på det aktuella stället. Köldbryggorna måste beaktas i en byggnads energibalans och kan utgöra en betydande del av transmissionsförlusterna. En köldbrygga uppstår ofta vid anslutningar mellan olika byggnadsdelar där det finns mindre plats för isolering. Linjära köldbryggor uppstår på grund av tvådimensionella värmeflöden, till exempel vid anslutningar mellan väggar bjälklag, tak balkongplattor m.m. Punktformiga köldbryggor beror på tredimensionell värmeströmning och kan uppkomma till exempel i hörn vid yttervägg yttervägg och takbjälklag. 8 Q T = ( U A)( T T ) t Q (3) inne ute köldbryggor U = värmegenomgångskoefficient (U-värde) [W/m 2 K] A = Area [m 2 ] T = temperatur [K] t = tid [h] Q T = Transmissionsförluster [kwh] En byggnadsdels U värde är ett mått på hur mycket energi som förloras per ytenhet och temperaturgrad. Definitionen för en byggnadsdels U-värde uttrycks som U = 1/R T, där R T är byggnadsdelens totala värmemotstånd 9. En byggnadsdel består oftast av flera ingående material i olika skikt som var och ett har sitt eget värmemotstånd. Ett material och dess värmemotstånd beror i sin tur på materialets tjocklek och värmeledningsförmåga, även kallad värmekonduktivitet och betecknas vanligen med -värdet. För att bestämma en byggnadsdels totala värmemotstånd från insidan av ett rum till utsidan, tillkommer även ett yttre och inre värmeövergångsmotstånd vid ytor som vetter mot luft. Värmeövergångsmotstånden betecknas R si för det inre och R se för det yttre, med enheten (m 2 K/W). R i d R R R (5) i (4) T si i se i R U 1 (6) R T R det enskilda skiktets värmemotstånd [m 2 K/W] i d det enskilda materialets tjocklek [m] i det enskilda materialets värmeledningsförmåga [W/mK] i 8 Boverket (2002): Boverkets byggregler, BFS 1993:57 med ändringar t o m 2002:19. Elanders Gotab, Vällingby. Upplaga 4:1. ISBN Petersson, Bengt- Åke och Studentlitteratur (2001): Tillämpad byggnadsfysik, studentlitteratur, Lund. ISBN

13 2.3. Ventilationsförluster 10 Ventilationsförluster p.g.a.ventilation Ventilationsförluster p.g.a. ofrivillig ventilation Q v c q (1 v) d [W/ C] (7) QI c qläckage [W/ C] (8) vent = luftens densitet, normalt, 1,2 kg/m 3 c = luftens värmekapacitet, normalt 1000 J/kg, C q vent = uteluftsflöde, m 3 /s v = verkningsgrad för ventilationens värmeåtervinning d = relativ drifttid för ventilationsaggregat, vid ständig drift är d =1 q läckage = läckageluftflöde, m 3 /s Faktorn (1- v ) anger hur stor del av värmen i ventilationsluften som inte återvinns och därför måste tillföras. Drifttiden antas vara jämnt fördelad över året och dygnet. Eftersom ventilationen oftast stängs av under natten när det är kallare ute och energiförlusterna större blir förlustfaktorn Q v därför ett medelvärde, vilket är en förenkling som leder till att årsenergibehovet underskattas något Gratisvärmetillskott Gratisvärmetillskott eller även kallat tillskottsvärme är benämningen på den värme som avges från människor, hushållsapparater och solinstrålning. Att kalla någonting för gratisvärme kan vara missvisande eftersom den spillvärme som uppstår från maskinell utrustning härstammar från köpt el som redan är betald. Begreppet är dock vedertaget och används ofta i samband med energibehovsberäkningar. Den gratisvärme som uppstår i en byggnad tillgodogörs i byggnaden under hela uppvärmningssäsongen. Gränstemperatur För att värma upp en byggnad till önskvärd inomhustemperatur krävs att värme tillsätts, det sker dels med hjälp av värmesystemet och dels med tillskottsvärme från människor, apparater och solinstrålning. Gränstemperaturen här betecknad T g, motsvarar den temperatur till vilket det krävs att värme tillförs byggnaden aktivt. Resterande värmebehov täcks av tillskottsvärmen, eller den så kallade gratisvärmen. 10 Jensen, Lars (2001): Värmebehovsberäkning, Installationsteknik FK. Kursmaterial, Lund. 8

14 2.5. Värmeenergibehov beräknat med gradtimmar 11 Varaktighetsdiagram och gradtimmar Den tiden på året det krävs att värme tillsätts byggnaden aktivt brukar kallas för eldningssäsong eller uppvärmningssäsong. Eldningssäsongens längd är beroende på det geografiska läget (normalårstemperaturen) för det aktuella huset och varierar med gränstemperaturen, som är beroende av den gratisenergi som tillförs. Begreppet varaktighetsdiagram beskriver en variation över ett givet tidsintervall, oftast på ett år. Varaktighetsdiagram för värmebehovsberäkning visar utetemperaturen för en ort i stigande eller sjunkande ordning som funktion av tiden. G ( T T dt (9) t gräns ute) året Figur 2.5 Varaktighetsdiagram för utetemperatur, gränstemperatur och innetemperatur som funktion av tiden under ett år (8760 h) Summan av temperaturskillnaden mellan ute och temperaturgränsen multipliceras med den tid under vilken aktuell skillnad råder. Eftersom axlarna på varaktighetsdiagrammet har enheterna timmar och ºC, utgör arean mellan utetemperaturkurvan och temperaturgränsen, T g antalet gradtimmar, G t för aktuell ort. Gradtimmarna anger alltså byggnadens behov för uppvärmning. Graddagar 12 Precis som gradtimmar anger uttrycket graddagar det specifika värmebehovet. Statistik över graddagar publiceras av SMHI för varje månad och produceras för cirka 300 svenska orter indelat i 10 regioner. Dygnsgraddagarna summeras månadsvis till månadsgraddagar. Antalet graddagar beräknas för varje dag under eldningssäsongen, som skillnaden mellan dygnsmedeltemperaturen och +17 C. Resterande uppvärmningsbehov från temperaturen +17 C till +20 C förutsätts få genom solinstrålning, personvärme och överskottsvärme från elektriska apparater med mera. Under vår, sommar och höst är inverkan av solinstrålningen stor, vilket kräver en viss justering i beräkningsrutinen. Olika gränser är satta för medeldygnstemperaturen utomhus, för att beräkna graddagarna. Under perioden november-mars medräknas de dagar som medeldygnstemperaturen är lägre än +17 C. Under övriga månaderna ligger gränsen för april på +12 C, maj-juli +10 C, augusti +11 C, september +12 C och under oktober ligger gränsen vid +13 C. Om medeldygnstemperaturen för t ex september är högre än +12 C räknas inte denna dag in i statistiken. 11 Jensen, Lars (2001): Värmebehovsberäkning, Installationsteknik FK. Kursmaterial, Lund. 12 SMHI (2005): SMHI, Graddagsberäkning. 9

15 3. ENERGIBERÄKNINGSPROGRAM Kapitlet beskriver de energiberäkningsprogram som används i arbetet Energiberäkningsprogram För energibehovsberäkning för byggnader finns idag ett flertal energiberäkningsprogram att tillgå på marknaden. Programmen är framtagna för olika beräkningsändamål och med olika komplexitet. Energiberäkning kan behövas för att se om normer och krav uppfylls. Det kan även användas för bedömning av temperaturer och komfort, likväl som för beräkning av värme- och kyleffekter, samt för att beräkna årlig energianvändning. För det här arbetet har program valts utifrån att beräkna årlig energianvändning. Energiberäkningar kan utföras för hand eller med hjälp av datorer och delas in i stationära eller instationära beräkningsmetoder, med avseende på hur beräkningarna genomförs. Med stationärt menas att beräkningar utförs i ett oförändligt tillstånd, det vill säga att temperaturen inte förutsetts ändras med tiden utan vara konstant. Instationära (tidsvarierande) beräkningar är helt beroende av tidpunkten för själva beräkningen med hänsyn till tidssvängningar och varianser på grund av värmelagring. Vid instationära beräkningar genomförs många fler beräkningar än vid stationära, här tas även hänsyn till många fler parametrar som solstrålning på väggar och vindtryckets påverkan Metod för energibehovsberäkning Stationära beräkningsmetoder Handberäkning Graddagar och gradtimmar Enklare datorberäkningar Månadsvis/alternativt per dag Instationära beräkningsmetoder Handberäkning (enkla fall av instationär värmetransport) T.ex. analytiskt utifrån Fouriers värmeledningsekvation 13 Avancerade datorberäkningar Timme för timme eller kortare Harrysson, Christer (2004): Byggnadsutformning och värmekapacitet, förstudie och litteraturinventering, Örebro Universitet, Institutionen för teknik. ISSN

16 Stationära beräkningsmetoder Stationära beräkningsmetoder förutsätter att inga förändringar sker med tiden, det vill säga att ett konstant förhållande råder. Handberäkning Vid handberäkning används oftast varaktighetsdiagram och aktuell orts graddagar/timmar för att beräkna energianvändningen. Utförligare redogörelse av varaktighetsdiagram och graddagar redovisas i avsnitt 2.5, värmeenergibehov beräknat med gradtimmar. För att beräkna byggnadens energibehov för uppvärmning och tappvarmvatten multipliceras byggnadens specifika värmebehov med aktuell orts graddagar/gradtimmar. Därtill läggs förbrukning av varmvatten samt avdrag för tillskottsenergi och eventuell återvinning. E Q G Q Q Q (10) tot d TTV tillskott Å Figur 3.1. Varaktighetsdiagram för utetemperaturen som funktion av tiden under ett år (8760 h) Enklare energiberäkningar med dator Beräkningarna utförs i huvudsakligen på månadsmedelvärden eller dygnsmedelvärden, under stationära förhållanden. Energiberäkningarna baseras på medelvärden och tar inte hänsyn till värmelagring och tidssvängningar under beräkningen. Beräkningsmetoden förutsätter alltså att medelförhållande antas råda under den studerade tiden och illustreras ofta med stapeldiagram. Solens inverkan på värmebalansen behandlas inte lika ingående i de enklare programmen som i de mera avancerade beräkningsprogrammen. Energiberäkning genomförs i stort som det beskrivs i avsnitt 2.1, där utetemperaturen räknas på medelvärdet för aktuell månad eller dag, se figur Temperatur C 10 5 Serie1 0-5 jan feb mars april maj juni juli aug Månad sep okt nov dec Figur 3.2. Stapeldiagram över utetemperaturen under ett år 11

17 Instationära beräkningsmetoder I verkligheten råder oftast inga stationära förhållanden av temperaturen, utan temperaturen varierar med tiden. För att genomföra beräkningar av instationära (tidsvarierande) förhållanden krävs mycket omfattande och komplicerade beräkningar. Instationära beräkningar utförs oftast med hjälp av dator men kan även utföras med avancerade och tidskrävande handberäkningar. I detta arbete har ingen handmetod används och testats för att genomföra instationära beräkningar. Avancerade energiberäkningar med dator De mer avancerade dataprogrammen försöker efterlikna verkligheten så långt som möjligt. I verkligheten råder inga stationära förhållanden utan variationer och förändringar sker hela tiden. Användningen av hushållsel varierar under dagen och under året, utetemperaturen varierar under dagen och under timmar och minuter. För att efterlikna verkligheten kräver de mer avancerade programmen fler inmatade värden för att genomföra erforderliga beräkningar. Solens inverkan och läge beaktas ofta väldigt ingående i de instationära programmen likaså tas stor hänsyn till stomkonstruktionen och dess värmelagring. I de avancerade programmen utförs många fler beräkningar än vad som görs i de enklare programmen. Beräkningar utför oftast timme för timme eller minut för minut, där hänsyn tas till svängningar och variationer. Med fler parametrar som skall beräknas följer även fler parametrar som måste kännas till och matas in programmen. Utetemperaturen varierar i form av en sinuskurva, såväl under året som under dagar och timmar. För att då efterlikna verkligheten krävs då många beräkningar. Se figur 3.3. Figur 3.3 Diagram över utetemperaturen, där sinuskurvan framträder BTH:s studentnätverk (2005): Utetemperatur. 12

18 3.3. Valda energiberäkningsprogram Det här avsnittet beskrivs de olika energiberäkningsprogrammen utifrån hur de är uppbyggda och med vilken metod värmeenergibehovet räknas ut. För att göra ett urval av de olika energiberäkningsprogram som finns på marknaden lästes bland annat en studie av Bengt Bergsten som behandlar 12 olika energiberäkningsprogram och dess användarvänlighet. 15 Utifrån den rapporten och i samråd med Christer Harrysson valdes Programmet ENORM och programmet VIP+, ett stationärt och ett instationärt program. Genom kontakter med företaget Maxit AB fick vi tillgång till ett nyutvecklat program, Leca Energy som även det är ett instationärt beräkningsprogram. Dessutom togs beslutet på att använda en handberäkningsmetod, där valet föll på civilingenjör Hans Lönns beräkningsmetod Hans Lönn (Handberäkningsmetod) Hans Lönn är civilingenjör och har tagit fram en egen mall för att genomföra energibehovsberäkningar. 16 Lönns beräkningsmetod som han kallar för sin mall kommer framöver att benämnas som mallen. Mallen är framtagen genom studier av två fastigheter (Lönns egna två villor), genom att läsa av energianvändning under ett antal år. Utifrån sina studier och beräkningar av energibalansen med flera beräkningsmetoder har han tagit fram en egen mall för att genomföra energibehovsberäkningar, som tar sikte på att utnyttja värmelagringskapaciteten i stommen. Mallen inriktar sig främst mot beräkning av flerbostadshus men lämpar sig även för villor. Mallen består av två delar, en del som behandlar aktuella byggnadsdelars areor och volymer, samt en del som behandlar data för genomförande av energibehovsberäkning, se bilaga Mallen är hämtad från Lönns bok, Spar energi. Boken behandlar olika energisparåtgärder och ekonomiska förutsättningar för att göra vidtagna åtgärder lönsamma. Mallen redovisar det specifika värmebehovet i kwh/graddag, detta för att kunna förkorta mätperioden vid kontroll av energiförbrukning, av eventuellt insatta åtgärder. Det totala energibehovet uttrycks som kwh/år. Det förutsätts i mallen att U-värden för ingående byggnadsdelar som tak och väggar är kända. I mallen tas ingen hänsyn till fönster och deras placering. Golvets U- värde är ett fast värde på 0,3 W/m 2 C och i kommande energibehovsberäkningar kommer detta värde ändras till byggnadsdelens beräknade värde, dels för att golvkonstruktionen är känd och dels för att U- värden och indata skall vara lika för att möjliggöra en jämförelse av de olika energiberäkningsprogrammen. Mallen anger en energiåtgång på 0,004 kwh per m 3 och graddag för att värma rumsluften till önskad temperatur. Hur konstanten 0,004 tagits fram förklaras på sidan 15 i Lönns bok. 15 Bergsten, Bengt (2001): Energiberäkningsprogram för byggnader - en jämförelse utifrån funktions- och användaraspekter. Effektiv-rapport 2001:03. ISBN AB Svensk Byggtjänst och Lönn, Hans (1984): Spara energi, Minab/Gotab, Stockholm ISBN

19 Eftersom mallen främst riktar sig till större fastigheter finns vissa korrigeringar som måste göras för att anpassa beräkningarna till villor, det gäller gratisenergi och varmvattenförbrukning. Mallen uppger ett tillgodogörande av gratisenergi på 17 kwh/dygn för hushållsel under eldningssäsongen. Detta värde skall dras av från energianvändning för uppvärmning, samma värde skall läggas till som elförbrukning. För fastigheterna i den här rapporten kommer detta värde på 17 kwh/dygn att bli lika med noll, detta på grund av att fastigheterna värms enbart med el, se mallens första sida, bilaga Ett tillägg på 13 kwh/dygn skall läggas till elanvändningen, för energi som åtgår under icke eldningssäsong och som inte kan tillvaratas. I mallen beräknas energiåtgången för tappvarmvatten som ett tillägg på 2000kWh + 400kWh per person i hushållet. Den hänvisade energiåtgången för tappvarmvatten är ett uppskattat värde som i kommande energibehovsberäkningar kommer att justeras, så att det blir lika för alla program. Beräkningsgång I Lönns mall bygger energiberäkningarna på aktuell orts graddagar. Beräkningsgången i mallen bygger i princip på att det specifika värmebehovet, Q tot för byggnaden multipliceras med aktuellt antal graddagar G d plus energiförbrukningen av tappvarmvatten minus gratisenergin från hushållsutrustning och apparater under eldningssäsongen, plus energi för hushållsutrustning och apparater under icke eldningssäsong. Specifikt värmebehov Q tot = ( U A) 0,024 ( U V ) 0, 004 [kwh/graddag] (11) Totalt energibehov E E E T u e (12) E E u e Q G Q Q (13) tot tillkott d h TTV tillskott Q Q (14) Q tillskott 17 t (15) Q h 13 (365 t) (16) E T Totalt energibehov [kwh/år] E u Energibehov för uppvärmning och tappvarmvatten [kwh/år] E e Energibehov för hushållsel [kwh/år] Q tot Specifikt värmebehov [kwh/graddag] Q tillskott Utnyttjad gratisvärme [kwh] Q TTV Energianvändning för tappvarmvatten [kwh] Q h Icke utnyttjad hushållsvärme [kwh] A Ingående byggnadsdels area [m 2 ] U Värmegenomgångskoefficient [w/m 2 C] V Byggnadens totala volym [m 3 ] G d Graddagar t Eldningssäsongens längd 14

20 Enorm 2004 Enorm 17 introducerades på marknaden i slutet av 1980-talet och är utvecklat av ett svenskt företag, Equa Simulation AB. Programmet är framtaget för att man på ett enkelt sätt ska kunna beräkna energianvändning i en byggnad och göra jämförelser mot kraven i BBR. Enorm är ett program uppbyggt av olika delprogram som saknar en direkt koppling till varandra. Det finns bland annat ett separat program för beräkning av U-värde. Här skapas konstruktioner så som väggar, tak och golv, sammansatta konstruktioner som regelväggar modelleras och beräknas efter gällande standard. Dessa värden måste sedan läggas över i huvudprogrammet för hand eftersom ingen koppling finns mellan programmen. I denna version av Enorm har man anpassat programmet efter de regler från Boverket (BBR10) som trädde i kraft 1 september, Förutom det aktuella huset beräknas också energibehov i det aktuella huset med referensdrift och ett referenshus som utformas enligt kraven i BBR. Enorm simulerar energianvändning dag för dag med dygnsmedelvärden för solinstrålning och temperatur. Soldata finns från tre platser i Sverige, Umeå, Stockholm och Malmö. Dessa värden är hämtade från år 1971 och uppgifter om temperaturer finns angivet för 50 olika orter i landet. Det finns även möjlighet att göra manuella inmatningar av medeltemperaturen för en specifik ort. Programmet tar inte hänsyn till värmelagring i stommen, vilket gör att programmet räknar på en fast innetemperatur. Programmet är i stora drag uppbyggt av 16 indatasidor: 1. Allmänna uppgifter om byggnaden. 2. Val av ort. Rumstemperatur. Köldbryggor. 3. Area för olika delar av den omslutande ytan. 4. Korrigerade värmegenomgångskoefficienter för omslutande ytor. 5. Glasareor och solinstrålningsdata. 6. Uppgifter om värmesystemet. 7. Indata för beräkning av värmepumpens besparing. 8. Indata för beräkning av FTX-aggregatets besparing 9. Ventilationssystem och luftflöden under vardagar. 10. Styrda luftflöden under lördagar och söndagar. 11. Luftkanalers längder och värmeisolering. 12. Hushålls- och fastighetsel. Personvärme. Varmavatten. 13. Kyl- och frysutrustning i lägenheter ur Eloff Strömsnål. 14. Disk- och tvättmaskiner i lägenheter. 15. Tvätt- och torkutrustning i flerbostadshus 16. Uppgifter om Energipriser och taxor. Programmet är anpassat efter Windows, dock har man sparsamt ändrat designen och inmatningsstrukturen för att användare från tidigare versioner inte ska känna sig främmande i den nya miljön. Detta kan dock upplevas som en nackdel för nya användare som kan uppleva programmet som lite gammalmodigt. Vid inmatningar finns mycket hjälp att tillgå vilket underlättar användningen. Strukturen i programmet känns logisk vid en första anblick men det märks att programmet är påbyggt i omgångar, vilket kan göra att det känns rörigt. Programstruktur för Enorm 2004 kan ses i bilaga Equa 2005: Enorm 2004, 15