Beräkning av en gruppbostads energianvändning i Skellefteå kommun

Transkript

1 Beräkning av en gruppbostads energianvändning i Skellefteå kommun Christoffer Kafaliev Högskoleingenjör, Energiteknik 2017 Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 Förord Jag skulle vilja skänka ett stort tack till Skellefteå kommuns fastighetsavdelning som gett mig denna möjlighet att få utföra ett energitekniskt arbete på en av deras fastigheter som innefattar studier av värmeflöden. Jag vill även tacka Olov Bygdén, energiingenjör åt kommuns fastighetsavdelning för hans engagemang och god handledning. Vill även tacka Lars Westerlund, Professor inom energiteknik på Luleå tekniska universitet för hans goda råd och för den tid han bidragit åt att svara på mina funderingar kring ämnet. Ett stort tack till Tommy Westerlund på Skellefteå kommuns fastighetsavdelning för utlåning och bra instruktion om hur värmekameran fungerar samt ett stort tack till personalen på Lövgränd 3 som varit väldigt trevliga och hjälpsamma när jag utfört mätningar på byggnaden. Sist men inte minst vill jag även tacka Olov Karlsson, Luleå tekniska universitet, för hans hjälpsamhet och handledning. Christoffer Kafaliev, Skellefteå maj 2016

3 Sammanfattning Den här rapporten beskriver teori för beräkning av värmeeffekt- och energibehovet i ett gruppboende i Skellefteå kommun. Husets teoretiska energiförbrukning studeras i vilket beräkningar av U-värdet samt dess totala ventilations, transmissions- och infiltrationsförluster ingår. Den teoretiska energiförbrukningen jämförs med den faktiska konsumtionen. Vidare beskrivs olika åtgärder för att förbättra fastighetens energibalans. Här användes även värmekamera för att undersöka potentiella energiförlustkällor. Abstract This report describes the theory for calculating the heating effect and energy in a group home in Skellefteå. The house's theoretical energy consumption is studied in which the calculations of the U-value and it s total ventilation, transmission and infiltration losses are included. The theoretical energy consumption is compared with the actual consumption. It also describes various steps to improve the building's energy balance. A thermal camera was also used to examine potential loss of energy sources.

4 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Syfte Mål Avgränsningar Resurser Teori Värmeeffekt- och energibehov Bestämning av värmeeffektbehov Beräkning av värmeenergibehov Metod U-värden Area Transmissions Ventilation Infiltration Total effektförlustfaktorn, P total Gratisvärmeeffekt Normalårstemperatur Skellefteå Gradtimmar Energibehovet teoretiskt Det faktiska energibehovet Undersökning med värmekamera Resultat Transmissionsförluster Yttervägg Tak Yttervägg apparatrum Golv Ytterdörrar Fönster Fönsterdörrar Totala transmissions förluster Ventilations förluster för byggnaden Infiltrations förluster... 25

5 4.4 Totala förluster Gratis värme Gränstemperatur Normalårstemperatur (Skellefteå) Energibehov teoretiskt Faktiska energibehovet Undersökning med värmekamera Diskussion och slutsats Referenser Internet Litteratur Bilagor Ritningar Energirapporter Värmekamera... 38

6 Beteckningar ρ Densitet (kg/m 3 ) A Area (m 2 ) U Värmegenomgångskoefficient (W/m 2, C) R Värmemotstånd (m 2, C/W) R si Värmemotstånd inne i byggnaden (m 2, C/W) R se Värmemotstånd utanför byggnaden (m 2, C/W) λ Värmeledningsförmåga (W/m, C) V Volymflöde (m 3 /s) C p Värmekapacitivitet, konstant tryck (J/kg C) P Värmeförlustfaktor (W/ C) Q Värmeeffekt (W) E Energi (Wh) T Temperatur ( C) m Massa (kg) τ Tidskonstant (h) h timmar (st) G t Gradtimmar ( Ch/år) DVUT Dimensionerad vinterutetemperatur ( C) ɳ Verkningsgrad (%) BBR Boverkets byggregler VVX Värmeväxlare d Tjocklek (m) T g Gränstemperatur ( C) Normalårstemperatur ( C) T normal

7 1. Inledning 1.1 Bakgrund Följande projekt har initierats av Skellefteå Kommuns fastighetsavdelning för att hitta metoder att bättre kunna utvärdera energieffektiviserande åtgärder på deras fastigheter. Fastigheten som skall studeras närmare är en helt vanlig byggnad som i dagsläget används som gruppbostad för människor som är i stora behov av stöd i boendet och med omvårdnad. Fastighetens värmekälla är fjärrvärme där golvvärmen distribuerar ut värme till alla rum. På utsidan är byggnaden omgiven utav träfasader, fönster, fönsterdörrar och ytterdörr. En arbetsmetod har tagits fram tillsammans med energiexperter på Skellefteå Kommun och utgångspunkten har varit att undersöka hur väl teoretiska energiprestandan stämmer överens med den verkliga användningen. Tanken är att värmeförbättrande åtgärder sedan ska vara lättare att utvärdera och genomföra genom att använda den framtagna beräkningsmetoden. Då fastigheten inte är alltför stor och komplicerad så lämpar sig denna uppgift väl till att utföra beräkningarna för hand. 1.2 Syfte Projektets syfte är uppnå en ökad kunskap i hur en specifik byggnads energianvändning kan beräknas samt att genom teoretisk beräkning av en byggnads energiprestanda jämföra hur väl det teoretiska värdet stämmer överens med fastighetens faktiska energianvändning. Detta för att öka Skellefteå Kommuns kunskap kring om de får önskad energiprestanda vid sina nybyggnationer/ombyggnationer. 1.3 Mål Målet är att teoretiskt beräkna en byggnads prestanda, jämföra detta resultat med den verkliga energianvändningen, och sedan presentera resultatet i en skriftlig rapport. En genomgång av fastigheten med värmekamera genomförs för att hitta förklaringar till eventuella skillnader i beräknade och faktiska energiförluster. 1

8 1.4 Avgränsningar För att projektet inte skall bli alltför stort och att det planerade arbetet skall hinna genomföras inom befintlig tidsram har följande avgränsningar gjorts: - Fastighet av lämplig storlek - Ifall viss information kring material, tjocklek m.m. saknas för att kunna beräkna korrekta U-värden kommer vissa relevanta antaganden att göras i samspråk med handledare. 1.5 Resurser Följande resurser var tillgängliga hos Skellefteå Kommun för att underlätta genomförandet av detta projekt: - Värmekamera - Tillgång till diverse informationsprogram såsom: o DeDU (energimodul för insamling av statistik över energianvändning) o Incit och Comprima (för tillgång till ritningar, vägguppbyggnad, flödesschema m.m.) - Excel, Word etc. Utrustning från Luleå tekniska universitet utnyttjades under projektets gång. 2

9 2. Teori För att få ett så behagligt inneklimat som möjligt så bör man ha ett väl fungerande värmesystem. Speciellt under vinterhalvåret då det är kyligt utomhus så innebär det att värmesystemet skapar detta klimat vad gäller lufttemperatur, temperaturgradient, strålningsförhållanden och lufthastighet. Vilken värmekälla man väljer att använda sig av styrs av användaren och vilka ekonomiska och underhålls-krav som ställs samt hur det påverkar miljön i allmänhet Fram till 1970-talet var oljan något som vanligen användes för uppvärmning av olika typer av lokaler och bostäder, men en period med förändring väntade då två oljekriser gjorde att svenska politiker valde att inte längre vara beroende utav 1 olja. Därefter kom en period då mycket elvärme installerades vilket var ett direkt resultat utav utbyggnaden av kärnkraft. 2 De senaste 20 åren har fjärrvärmen varit dominerande när det kommer till att värma upp fastigheter eller lokaler. Vi ser även idag att värmepumpar används flitigt. Början på talet ökade försäljningen från sålda enheter per år till år 2007 då man i Sverige sålde över enheter per år 3. Fler solfångare och solceller dyker upp i såväl nya som befintliga hus trots att totala energiproduktionen är fortfarande låg 4. För att vi ska uppleva en god boendemiljö bör värmen i en byggnad vara fördelad och distribuerad i rätt mängd till varje enskilt rum samt att värmaggregaten ska placeras med tanke på komfortkraven 5. För att ha god energihushållning i en byggnad bör värmesystemet kunna regleras lätt och snabbt för att kunna stå emot variationerna i uteklimatet, solinstrålningen och användningen av rummen. Ett värmesystem är uppbyggt av fyra huvuddelar med skilda funktioner och uppgifter värmare i rummen distributionssystem som fördelar värmen i byggnaden värmekälla system för styrning och reglering av värmetillförsel Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:1 3

10 2.1 Värmeeffekt- och energibehov Värmeeffektbehov och värmeenergibehov är två värmebehov då man talar om byggnader. Skillnaden är att värmeenergibehov anges i kilowattimmar som hör ihop med driftkostnaderna medan värmeeffektbehovet som anges i watt är kopplat till investeringskostnader. Energibehovet för uppvärmning är mycket mer komplicerat att beräkna än effektbehovet eftersom bland annat användningstiden av värmeproducerande enheter måste beräknas. Idag är det ett krav att ägaren av fastigheten ska se till så att det alltid finns en energideklaration 7. Energikraven skall därför också uppfyllas vid alla nybyggnationer

11 2.1.1 Bestämning av värmeeffektbehov Det uträknade värmeeffektbehovet bestäms av storleken på värmesystemet. När man dimensionerar ett värmesystem så utgår man från dessa förutsättningar storleken på klimatskalets 8 omslutande area isoleringsstandard värmetröghet lufttäthet ventilationssätt ventilationsflöde innetemperatur uteklimat 9 Dimensionerande vinterutetemperatur Dimensionerande vinterutetemperatur eller förkortat DVUT är den utomhustemperatur man dimensionerar radiatorer, rör och värmekälla efter. DVUT är en medeltemperatur under minst ett dygn. Tidskonstant Om en byggnad är lätt så märks ett väderomslag snabbt på inomhustemperaturen. En byggnads tidskonstant är ett mått på dess värmetröghet. Densiteten är något som spelar stor roll men det som avgör hur tungt ett byggnadsmaterial är beror på dess förmåga att lagra värme samt hur fort den kan laddas med värme. För att beskriva värmetrögheten används begreppet tidskonstant. τ = Σc m Q tot (h) 10 (2.1) Där m är massan för respektive konstruktionsskikt, c är specifik värmekapacitet för respektive konstruktionsskikt och Q tot är byggnadens specifika värmeeffektförlust enligt (2.1). När tidskonstanten är beräknad bestäms DVUT utifrån ortens klimat. I tabell 2.1 kan man se DVUT för specifikt område från 1 till 6 dygn. 8 Klimatskal = Husets väggar, golv och tak 9 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:3 10 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:4, ekvation (4.1) 5

12 Tabell 2.1 DVUT ( C), för olika orter och med tidskonstanter upp till 6 dygn. 11 Tidskonstant Ort 1 dygn 2 dygn 3 dygn 4 dygn 5 dygn 6 dygn Kiruna Flygplats -30,3-29,4-28, ,8-26,1 Jokkmokk -34, , ,2-30,9 Luleå -27,7-26,9-26,1-25, ,4 Lycksele -30,9-29,5-28, ,1-26,7 Umeå Flygplats -24,5-23,2-22,6-21,9-21,7-21,3 Östersund/Frösön -25,3-24,4-23, ,1-21,2 Sundsvalls Flygplats -24,4-24,2-23,5-22,4-21,7-21,4 Sveg -29,3-27,9-27, ,5-24,7 Malung -26,9-25,1-23,9-23,6-22,8-22,4 Falun ,9-21,3-20,6-20,5-20 Uppsala -18,9-18,3-17,5-16,6-16,3-15,9 Stockholm-Bromma -17,1-16, ,8-14,3 Södertälje -16,2-15,4-14,8-14,4-13,8-13,3 Örebro ,1-17,3-16,5-15,9-15,7 Karlstad -19,1-17,9-17,3-16,9-16,4-16,3 Norrköping -16, ,8-14,4-14,1-13,7 Linköping/Malmslätt -17,6-16,5-15,9-14,6-14,3-13,8 Såtenäs -15,5-14,6-13,8-13,1-12,9-12,7 Säve -14, ,1-12,9-12,8-12,5 Jönköpings Flygplats -17,5-16,6-15,9-15,3-14,4-14,1 Visby -10,5-9,9-9,7-9,3-9 -8,8 Västervik/Gladhammar -15,1-14,2-13,3-12,9-12,6-12,3 Växjö -14,4-13,3-12,9-12,7-12,2-12 Kalmar -13,3-12,8-12, ,6-11,4 Ronneby/Bredåkra -12,7-11,8-11,3-11,3-10,9-10,7 Lund -11,6-10,6-10, ,8-9,4 11 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:6, Tabell 4.1 6

13 Dimensionerande innelufttemperatur Olika inomhus temperaturer väljs beroende på vilken verksamhet som ska bedrivas och även efter kraven som verksamheten ställer efter komfort. För bostäder väljer man dimensionerande innelufttemperaturen, eller DIT som ofta sätts till 20 C, i fabriker där medeltungt arbete sker används 17 C och för tungt arbete 14 C. Det ovan beskrivna förhållandena är bara några grundregler när man dimensionerar värmesystem och temperaturen begränsas inte alltid till dessa nivåer utan kan variera beroende på verksamheten. Byggnadens värmebalans Några förlopp som är med vid beräkning av en byggnads värmebalans beskrivs nedan. Värme som bortförs på grund av: transmission, Q tr ventilation, Q till luft oavsiktlig ventilation eller luftläckage, Q infiltration Värme tillförs genom: solinstrålning, Q sol internt genererad värme, Q intern värmesystemet, Q värme 12 Detta ger en värmeeffektbalans vid stationära betingelser. Q tr + Q till luft + Q infiltration = Q sol + Q intern + Q värme (W) (2.2) Transmissionsförlust, Q tr Värmen tränger ständigt igenom dörrar, väggar, golv, tak, och fönster etc. men också genom köldbryggor som bildas i anslutning mellan byggnadsdelar, till exempel fönsterkarmen till ett fönster. Om man har olika temperaturer inomhus från rum till rum så sker även värmetransmission mellan rummen fast det ligger inom samma klimatskal. Transmissionsförlusterna beräknas rum för rum genom att arean till varje konstruktionsdel mäts upp samt respektive U-värde bestäms. Q tr beräknas enligt (2.3) Q tr = ΣU A (T inne T ute ) (W) (2.3) A är byggnadsdelens area och den sista faktorn i ekvation 2.3 är skillnaden mellan inomhus temperatur (T inne ) och utomhustemperatur (T ute ). U är värmegenomgångstal för en specifik byggnadsdel med enheten W/m 2 C. U-värdet är inversen av R-värdet som är byggnadsdelens värmemotstånd. R-värdet har enheten (m 2 C/W) och är kvoten mellan ett materials tjocklek (d) och dess lambda-värde (λ), ett materials värmeledningsförmåga. Lambda har enheten (W/m C). R-värdet beräknas enligt (2.4) R total = R si + R i + R se (m 2 C/W) (2.4) 12 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:8 7

14 Där R si och R se är värmemotståndet för konstruktionens in- respektive utsida och R i är materialets värmemotstånd. Om det är flera olika material efter varandra så summeras deras R-värden. U-värdet kan räknas ut enligt (2.5) U = 1 R total (W/m 2 C) (2.5) Ventilationsförlust, Q tilluft När byggnaden utnyttjar uteluften till ventilationsluft så måste även den värmas upp. Tilluften, luften som ventilationen blåser in i rummen brukar vara kring C. Q till luft beräknas enligt (2.6) Q tilluft = ρ V tilluft C p (T inne T tilluft ) (W) (2.6) Där ρ är luftens densitet (1,2 kg/m 3 ), V tilluft är ventilations flöde i m 3 /s, C p är luftens specifika värmekapacitet (1010 J/kg C), T inne är inomhustemperatur och T tilluft är tilluftens temperatur. 13 Men för att värma upp temperaturen från utomhustemperatur till 18 C så utnyttjas först en värmeväxlare och sen ett luftvärmebatteri. Temperaturen efter värmeväxlaren bestäms av dess verkningsgrad enligt (2.7) ɳ = T efter,vvx T ute T inne T ute (2.7) Där T efter,vvx är temperatur efter värmeväxlare och där T ute är temperaturen på utomhusluften som sättes lika med T tilluft. Värmebatteriets effektbehov beräknas enligt (2.8) Q batteri = ρ V tilluft C p (T tilluft T efter,vvx ) (W) (2.8) Effektbehovet för ventilation blir summan av (2.6) och (2.8) enligt (2.9) Q ventilation = Q tilluft + Q batteri (W) (2.9) Ventilationseffekten kan skrivas om med (2.7) och (2.9) till (2.10) Q ventilation = ρ V tilluft C p (1 ɳ) (T inne T ute ) (W) (2.10) 13 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:12 8

15 Luftläckage, Q infiltration Genom väggar och allt som har med byggnadens klimatskal så tränger sig utomhus luft in och inomhusluft ut genom otätheter. Q infiltration beräknas enligt (2.11) Q infiltration = ρ V infiltration C p (T inne T ute ) (W) (2.11) På grund av tryckskillnad mellan utomhus och inomhus blir det alltid en viss luftmängd som kommer in via husets skal. Detta beror på att ventilationssystemet är konstruerat så att det är lägre tryck inomhus. Det är svårt att räkna ut detta flöde, utan att genomföra en tryckprovning på fastigheten dock kan vissa flöden antas enligt Lars Westerlund. Solinstrålning, Q sol Solen bidrar positivt till uppvärmningen av fastigheten. Eftersom solens påverkan är svår att uppskatta brukar företag använda sig utav program för att simulera solens påverkan av fastigheten. Ett program som man kan använda sig för att simulera detta bidrag är T*Sol 14. Internvärme, Q intern Via personer och elektrisk utrustning tillförs värme till huset, till exempel kylskåp och belysning. Tabell 2.2 visar hur mycket internvärme som genereras för olika verksamheter. Tabell 2.2 Exempel på överslagsvärde för internt värmetillskott 15 Verksamhet Personvärme (W/m 2 A temp ) Belysning (W/m 2 A temp ) Elapparater (W/m 2 A temp ) Bostäder 1,5 4 3 Daghem Kontor Skolor Där m 2 A temp är all golvyta innanför klimatskalet som skall värmas upp till en temperatur som är högre än 10 C Beräkning av värmeenergibehov Man kan räkna ut en fastighets energibehov på tre olika sätt. för hand med hjälp av gradtimmar datorbaserad beräkning vanligt vid projektering av konventionella hus 16 avancerade beräkningsprogram för komplicerade byggnader 17 Den minst noggranna och enklaste beräkningen är för hand med gradtimmar. Beräkning av värmeenergibehov med gradtimmar Temperaturdifferensen mellan inne och utomhus är direkt proportionell mot byggnadens värmeförluster enligt ekvationerna (2.3), (2.10) och (2.11). Det man har tänkt värma upp ska Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:16, Tabell VVS-Konsulterna Skellefteå AB använder sig utav programmet E-norm Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:15 9

16 täcka förlusterna på grund av transmission, luftläckage och ventilation. Om man tar produkten mellan erforderlig värmeeffekt och tiden som den är igång så får man uppvärmningsenergin. Det momentana effektbehovet kommer att variera med tiden då utetemperaturen också varierar med tiden. Det totala energibehovet beräknas som summan av effekterna timme för timme under ett år. Figur 2.1 Utomhustemperaturen över ett år i Skellefteå 2015, gränstemperatur och inomhustemperatur. 18 Figur 2.1 visar hur utomhustemperaturerna varierade i Skellefteå år Den svarta linjen är inomhustemperaturen och den blå linjen är gränstemperaturen. Gränstemperaturen är den temperatur som värmesystemet behöver värma upp till då resterande temperatur upp till inomhustemperatur antas värmas upp utav gratisvärmetillskottet från sol, personer och apparater. Värmesystemet är igång från januari till ungefär maj sen även från september till och med december. Den här perioden kallas eldningssäsong och är den period då utomhustemperaturen är lägre än gränstemperaturen. Om det finns uppgifter på årligt tillförd gratisenergi (E gratis ), så kan man räkna ut värmeeffekten (Q gratis) som blir av gratisenergin enligt (2.12) Q gratis= E gratis 8760 (W) (2.12) Där täljaren är gratisenergin i Wh och nämnaren är antalet timmar på ett år. Från värmebalansekvationen (2.2) kan vi skriva om så vi får önskad värmeeffekt enligt (2.13) Q värme = Q tr + Q till luft + Q infiltration (Q sol + Q intern ) (W) (2.13) (2.13) kan skrivas om till (2.14) Q värme = Q tot Q gratis (W) (2.14) &tid1=12&tid2=12&saved 10

17 Där transmission, ventilation och infiltration är Q tot och sol plus inrevärme är Q gratis. För att kunna slutligen kunna beräkna energibehovet för uppvärmning krävs att vi känner till gränstemperaturen. När vi inte behöver någon uppvärmning för att täcka energiförlusterna kan Q gratis då skrivas enligt (2.15) Q gratis = P tot (T inne T g ) (W) (2.15) Där P tot uttrycker förluster på grund av transmission, ventilation och infiltration. Vi kan således lösa ut gränstemperaturen (T g ) enligt (2.16) T g = T inne (Q gratis / P tot ) ( C) (2.16) Eftersom energibehovet för att värma fastigheten till gränstemperaturen (T g ) kan sägas vara summan av effekterna (P n ) timme för timme under ett år så kan man beskriva energibehovet enligt (2.17a) 8760 E = n=1 P n t (Wh) (2.17a) D.v.s. P n kommer att variera beroende på utomhustemperaturen (se Fig 2.2). Summan av de enskilda effekterna kan tecknas som produkten av effekt per grad Celsius och varaktigheten av differenser mellan utetempraturen och gränstemperaturen enligt ekvation (2.17b) n=1 P n = P tot n=1 (T g T ute ) n (W) (2.17b) Med (2.17a) och (2.17b) kan energibehovet räknas ut enligt (2.18) 8760 E = P tot n=1 (T g T ute ) n t (Wh) 19 (2.18) I ett varaktighetsdiagram med inomhustemperatur och gränstemperaturen så kan man se hur ofta utomhustemperaturer förekommer under ett år (Fig 2.2). Figur 2.2 Utomhustemperaturen sorterad i storleksordning över ett år i Skellefteå Den grönstreckade arean ska representera energibehovet av köpt energi för uppvärmning. 19 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:19, Ekvation

18 Eftersom varaktighetsdiagrammets axlar har enheterna C och timmar får den grönstreckade arean enligt figur 2.2 som representerar energibehovet enheten Ch, det vill säga gradtimmar och betecknas G t enligt (2.19) 8760 G t = n=1 (T g T ute ) t ( Ch/år) 20 (2.19) Energibehovet för uppvärmning under ett år beräknas enligt (2.20) E uppv = P tot G t (Wh/år) 21 (2.20) 20 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:19, Ekvation Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:20, Ekvation

19 Nedan kan man se en tabell på olika gradtimmar, Tabell 2.3 omfattar gränstemperaturer från 0 till +25 C och normalårstemperaturer från -2 till +8 C. Tabell 2.3 Gradtimmar, enheten ( Ch/år) för olika normalårstemperaturer, T normal, och gränstemperaturer, T g 22 T g T normal C C Normalårstemperatur är inte årsmedeltemperaturen utan är utetemperaturens medianvärde under ett år. 22 Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Sid 4:20, Ekvation

20 3. Metod 3.1 U-värden Varje specifik byggnadsdel på fastigheten har olika U-värden. För att ta reda på värdena har data från ritningar på varje byggnadsdel så som materialets värmeledningsförmåga och tjocklek samlats in. Se figur 3.1 för exempel på hur ett väggsnitt kan se ut (Bilden är inte fastighetens vägg som denna rapport undersöker). Ritningarna på fastigheten finns under bilagor till Figur 3.1 En väggs uppbyggnad med olika typer av material och isolering 14

21 Med hjälp utav programmet Excel har parametrar, konstanter sorterats och tabellerats (se tabell 4.1 till 4.4) för att effektivare kunna räkna ut varje konstruktions U-värde. Beräkningen av U-värden har förenklats något på grund utav vissa svårigheter vid beräkningar. Efter diskussion med handledare så blev beslutet att beräkna U-värdet genom att summera varje materials värmemotstånd enligt ekvationerna 2.4 och 2.5. Även material som är väldigt tunt har uteslutits då det har ansetts som försumbart. Detta ger självklart inte ett exakt U-värde men för hand är det i praktiken väldigt svårt att räkna ut det exakt. Med hjälp utav datorprogram som beskriver förloppen så hade man enklare och tidseffektivare kunnat räkna ut U-värdet på varje konstruktionsdel men utfördes inte. U-värden för fönster, ytterdörrar och fönsterdörrar har antagits från hemsidor som t. ex Swedoor eftersom information om de konstruktionsdelarna inte var tillgängligt på Skellefteå kommun. Detta via beslut från handledare. 3.2 Area Med hjälp utav skalenliga ritningar har fastighetens areor på tak, golv etc. räknats ut. Då vissa mått på fastigheten ej funnits har måtten uppskattas med hjälp utav linjal och ritning. Detta medför då en viss felmarginal. Se figur 3.2 för exempel på ritning. Areor på fönster, ytterdörrar och fönsterdörrar har mätts för hand på plats med hjälp utav tumstock. Figur 3.2 Skalenlig ritning på taket där arean på taket räknats ut med hjälp utav linjal. 15

22 3.3 Transmissions Transmissionsförluster har räknats ut för varje specifik konstruktionsdel som tillhör byggnadens klimatskal. Med ekvation (2.3) utan temperaturdifferensfaktorn kan man beräkna varje specifik byggnadsdels värmeförlust per grader Celsius. Förlusterna har beräknats enligt (3.1) P transmission = ΣU A 1000 (kw/ C) (3.1) 3.4 Ventilation Ventilationens värmeförlust har beräknats med (2.10) utan temperaturdifferensen enligt (3.2) P ventilation = ρ V tilluft C p (1 ɳ) 1000 (kw/ C) (3.2) Luftflödet från ventilationen ska enligt handledare vara 200 (l/s), det vill säga 0,2 (m 3 /s). Verkningsgraden på värmeväxlaren är 40 % enligt handledare, ɳ = 0, Infiltration Det krävs att man gör en tryckprovning av fastigheten för att kunna bestämma flödet på den luft som tränger in. För att veta hur mycket luft som läcker in genom otätheter i klimatskalet så har ett standard värde på 0.1 förändringar i timmen används efter råd av Lars Westerlund professor i energiteknik vid LTU. Luftflödet som läcker in kan skrivas enligt (3.3) V infiltration = 0,1 Husets volym 3600 (m 3 /s) (3.3) Husets volym har räknats ut med ritningar till cirka 1073 (m 3 ). Detta ger ett luftflöde på 0,03 (m 3 /s) enligt förutsättningarna ovan. Sedan har ekvation (2.11) använts utan temperaturdifferensen för att räkna ut infiltrationens värmeförlust enligt (3.4) P infiltration = ρ V infiltration C p 1000 (kw/ C) (3.4) 3.6 Total effektförlustfaktorn, P total Den totala effektförlustfaktorn har räknats ut som summan av effektförlustfaktorerna från (3.1), (3.2) och (3.4) enligt (3.5) P total = P transmission + P ventilation + P infiltration (kw/ C) (3.5) 16

23 3.7 Gratisvärmeeffekt Solen, människor och apparaters påverkan var svårt att räkna ut för hand. Enligt Lars Westerlund så bidrar vår och höst solen med ungefär 3 ( C) i uppvärmning och en tumregel för människor och apparater är cirka 300 (W). Solens gratiseffekt har beräknats enligt (3.6) Q sol = ΣU A 3 (W) (3.6) Där ΣU A är summan av alla U-värden multiplicerat med dess area. Eftersom det alltid är en viss mängd människor i byggnaden så är Q inre lika med 300 (W). Den totala gratisvärmeeffekten blir enligt (3.7) Q gratis = (Q sol + Q inre) ( 1 ) (kw) (3.7) Normalårstemperatur Skellefteå Normalårstemperaturen är utetemperaturens medianvärde under ett år. Medianvärdet får man ut om man sorterar sina värden i storleksordning och väljer det mittersta värdet. Enligt värden från temperatur.nu 23 i Skellefteå 2015, har en normalårstemperatur tagits fram i Excel. 3.9 Gradtimmar När gränstemperaturen och normalårstemperaturen är uträknade så kan man enligt tabell 2.3 läsa av gradtimmar. Om normalårstemperaturen är 4,2 ( C) och gränstemperaturen 17,4 ( C) så läser man inte av tabellen med en normalårstemperatur på 4 ( C) och en gränstemperatur på 17 ( C) utan man måste interpolera 24 fram ett nytt värde Energibehovet teoretiskt När energibehovet för uppvärmning har räknats ut i (kwh/år) så måste man även dividera detta värde med den uppvärmda arean för att få ut byggnadens energiprestanda enligt handledare

24 3.11 Det faktiska energibehovet Med hjälp av energirapporter som Skellefteå kommun har tagit fram på fastigheten har det faktiska energibehovet kunnat jämföras med det teoretiska. Se figur 3.3 för hur en energirapport på konsumerad fjärrvärme år 2014 till början på 2016 sett ut. Fastighetselen har räknats ut genom att kontrollera de två fläktar som fanns i apparatrummet, en frånlufts och en tilluftsfläkt där båda har en märkeffekt som representerar hur mycket fastighetsel i (kw) som fastigheten utnyttjar. Sedan multipliceras fläktarnas märkeffekt (tillsammans) med antal timmar per år och divideras med husets area, enligt handledare. Summan av fjärrvärmen och fastighetselen är energiprestandan för byggnaden ifråga. Alla värden mellan på fastighetens energiprestanda skall därefter jämföras med det teoretiska värdet. 18

25 Figur 3.3 Ur energirapport på förbrukning av fjärrvärme 3.12 Undersökning med värmekamera En genomgång av huset med värmekamera har gjorts med syfte att hitta eventuella läckor i fastigheten. Resultatet av undersökningen är inte något som påverkat den teoretiska beräkningen utan är mer en undersökning för att få bättre förståelse av var eventuella läckor uppstår. En läcka är då en otäthet i en konstruktionsdel där luft tränger sig igenom. En snabb genomgång med Tommy Westerlund från Skellefteå kommuns fastighetsavdelning gjordes före mätningen för att få lite tips om hur man mäter effektivare och vart de vanliga läckorna förekommer. Undersökningen har gjorts så tidigt som möjligt på dagen eftersom att temperaturskillnaden mellan inomhus och utomhus ska vara så stor som möjligt för att få bästa resultat. En genomgång uppe på vinden har inte utförts då det inte fanns någon möjlighet att ta sig dit upp. 19

26 4. Resultat 4.1 Transmissionsförluster Yttervägg I nedanstående tabell visas grunddata som använts vid energiberäkningar av U-värdet för byggnadens ytterväggar (Tabell 4.1). Tabell 4.1 U-värde yttervägg, där R är kvoten av tjocklek och λ, U-värdet är 1 delat med summan av R för de olika materialen. Material Tjocklek (m) λ (W/m, C) R (m 2 C/W) Gips 0,013 0,22 0, OSB-Plywood 0,012 0,12 0,1 Regel 0,045 0,14 0, Mineralull 0,045 0,037 1, PE-Folie Regel Mineralull 0,145 0,037 3, Paroc Vindtät Spikregel med luftspalt 0,028 0,16 0,175 Lockpanel 0,022 0,14 0, R si + R se 0,26 ΣR (m 2 C/W) = 6, U (W/m 2 C) = 0, Följande data användes vid beräkningar av energiförluster genom byggnadens ytterväggar: Omkrets yttervägg = 71,84 (m) Höjd till tak = 2,5 (m) Total area yttervägg med fönster och dörrar = 179,6 (m 2 ) Total area yttervägg utan fönster och dörrar = 132,9125 (m 2 ) Genom att använda ekvation 3.1 kunde värmeförlustfaktorn via transmission (P yttervägg ) från byggnadens ytterväggar beräknas och blev 0,02 (kw/ C). 20

27 4.1.2 Tak I nedanstående tabell visas grunddata som använts vid energiberäkningar av U-värdet för byggnadens tak (Tabell 4.2). Tabell 4.2 Tak Material Tjocklek (m) λ (W/m, C) R (m 2 C/W) Takstol 0,15 0,14 1, Lösull 0,4 0, , Luft 1,3 0,02 65 Takstol 0,15 0,14 1, Råspont 0,023 0,14 0, Underlagslapp Bandtäckning Plannja Plastisol EMK R si + R se 0,26 ΣR (m 2 C/W) = 78, U (W/m 2 C) = 0, Övrig data som använts vid beräkningarna: Total area av tak för både huset och apparatrummet = 333,099 (m 2 ) Genom att använda ekvation 3.1 kunde värmeförlustfaktorn via transmission (P tak ) beräknas och blev 0,004 (kw/ C). 21

28 4.1.3 Yttervägg apparatrum I nedanstående tabell visas grunddata som använts vid energiberäkningar av U-värdet för yttervägg till apparatrum (Tabell 4.3). Tabell 4.3 Yttervägg apparatrum Material Tjocklek (m) λ (W/m, C) R (m 2 C/W) Gips 0,013 0,22 0, OSB-Plywood 0,012 0,12 0,1 PE-Folie Regel 0,045 0,14 0, Mineralull 0,145 0,037 3, Paroc Vindtät Spikregel med luftspalt 0,028 0,16 0,175 Lockpanel 0,022 0,14 0, R si + R se 0,26 ΣR (m 2 C/W) = 4, U (W/m 2 C) = 0, Övrig data som använts vid beräkningarna: Omkrets yttervägg apparatrum = 9,28 (m) Höjd till tak = 2,5 (m) Total area yttervägg apparatrum med ytterdörr = 23,2 (m 2 ) Total area yttervägg apparatrum utan ytterdörr = 21,355 (m 2 ) Genom att använda ekvation 3.1 kunde värmeförlustfaktorn via transmission (P yttervägg,apparatrum ) beräknas och blev 0,004 (kw/ C). 22

29 4.1.4 Golv I nedanstående tabell visas grunddata som använts vid energiberäkningar av U-värdet för byggnadens golv (Tabell 4.3). Tabell 4.4 Golv Material Tjocklek (m) λ (W/m, C) R (m 2 C/W) Betong 0,15 1,7 0, Styrofoam 0,21 0,036 5, Kar. Kortidslast Järnsand 0,5 - - R si + R se 0,26 ΣR (m 2 C/W) = 6, Övrig data som använts vid beräkningarna: Total area golv fastighet och apparatrum = 310,1634 (m 2 ) U (W/m 2 C) = 0, Genom att använda ekvation 3.1 kunde värmeförlustfaktorn via transmission (P golv ) beräknas och blev 0,05 (kw/ C) Ytterdörrar Vid beräkning av ytterdörrars värmemotstånd användes följande data: Modell = Arctic Indus från Swedoor 25 U-värde = 0,66 (W/m 2 C) Antal = 2 (st) Total area = 3,69 (m 2 ) Genom att använda ekvation 3.1 kunde värmeförlustfaktorn via transmission (P ytterdörrar ) beräknas och blev 0,002 (kw/ C)

30 4.1.5 Fönster Vid beräkning av värmemotstånd för byggnadens fönster användes följande data: Modell = 3-glas fönster från U-värde = 1 (W/m 2 C) Antal = 24 (st), (ett fönster vid ytterdörren) Total area = 30,0825 (m 2 ) Genom att använda ekvation 3.1 kunde värmeförlustfaktorn via transmission (P fönster ) beräknas och blev 0,03 (kw/ C) Fönsterdörrar Vid beräkning av värmemotstånd för byggnadens fönster användes följande data: Modell = 3-glas fönsterdörr 27 U-värde = 1,1 (W/m 2 C) Antal = 8 (st) Total area = 14,76 (m 2 ) Genom att använda ekvation 3.1 kunde värmeförlustfaktorn via transmission (P fönsterdörrar ) beräknas och blev 0,02 (kw/ C) Totala transmissions förluster Den totala transmissionsförlustfaktorn (P transmission, total ) genom byggnadens klimatskal beräknades genom att summera ihop alla värmeförlustfaktorer enligt: P transmission,total = P yttervägg + P tak + P yttervägg,apparatrum + P golv + P ytterdörr + P fönster + P fönsterdörr Den totala transmissionsförlustfaktorn blev 0,1 (kw/ C)

31 4.2 Ventilations förluster för byggnaden Vid beräkning av ventilations förluster för byggnaden användes följande data: ρ = 1,2 (kg/m 3 ) V ventilation = 0,2 (m 3 /s) C p = 1010 (J/kg C) ɳ = 0,4 Genom att använda ekvation 3.2 kunde värmeförlustfaktorn via ventilation (P ventilation ) beräknas och blev 0,1 (kw/ C). 4.3 Infiltrations förluster Vid beräkning av infiltrations förluster för byggnaden användes följande data: Omsättningar per timme = 0,1 (förändringar/h) Husets volym = 1073,292 (m 3 ) V infiltration = 0, (m 3 /s) ρ = 1,2 (kg/m 3 ) C p = 1010 (J/kg C) Genom att använda ekvation 3.4 kunde värmeförlustfaktorn via infiltration (P infiltration ) beräknas och blev 0,04 (kw/ C). 4.4 Totala förluster Den totala förlustfaktorn är summan av transmissions, ventilations och infiltrationsfaktorerna enligt nedan: P total = P transmission,total + P ventilation + P infiltration Den totala förlustfaktorn (P total ) blev 0,3 (kw/ C) 4.5 Gratis värme Genom att använda ekvation 3.6 kunde gratisvärmen via sol (Q sol) beräknas och blev 0,5 (kw). Med en tumregel enligt Lars Westerlund bidrar personer och elektrisk utrustning (Q intern) med en tillförd värme på 300 (W). Den totala gratis värmen blir då summan av värmen från solen och den interna värmen. Gratis värmen (Q gratis) beräknades till 0,8 (kw) enligt ekvation

32 4.6 Gränstemperatur Genom att använda ekvation 2.16 kunde gränstemperaturen (T g ) räknas ut till 17 ( C). 4.7 Normalårstemperatur (Skellefteå) Med hjälp av temperatur.nu och Excel beräknades normalårstemperaturen (T normalår ) i Skellefteå till 4,2 ( C). 4.8 Energibehov teoretiskt Vid beräkning av det teoretiska energibehovet för byggnaden användes följande data: T normalår = 4,2 ( C) T gräns 17,4 ( C) Gradtimmar enligt tabell 2.3 blev ( Ch/år). Energibehovet teoretiskt (E uppvärmning ) räknades ut enligt ekvation 2.20 och blev 36727,6 (kwh/år). Den uppvärmda arean uppskattades med ritningar till 310,2 (m 2 ). Fastighetens energiprestanda som är energibehovet per kvadratmeter räknades ut till 118,4 (kwh/m 2, år). 4.9 Faktiska energibehovet Det faktiska energibehovet är uträknat via energirapporter från kommun (Se figur 3.3). Fastighetselen är den elektricitet som används till driften av fastigheten. Hur mycket fastighetsel fastigheten utnyttjar har räknats ut av handledare Olov Bygdén, Skellefteå kommun. år Fastighetsel (kwh/m 2 ) Fjärrvärme (kwh/m 2 ) Total (kwh/m 2 ) , , , , , , , , , , , , , , Medel 178,6 26

33 4.10 Undersökning med värmekamera Undersökning gjordes med värmekamera för att hitta kalla ställen som kan fungera som energitjuvar i byggnaden och kan bidra till ett negativt rumsklimat (se appendix 7.3). Vi kan se exempel på sådana kalla ställen i Fig Man ser tydligt i springorna runt ramen vart det drar kallt (Fig. 4.1a och c). Luften kring tilluftsdonet var även lägre än avsett som bör vara kring 18 C (Fig. 4b). a) b) c) Figur 4.1. Bild på inventarier i fastigheter tagna med värmekameran. a) fönster och fönsterdörr från, b). Tilluftsdon, c) Ytterdörr. 27

34 5. Diskussion och slutsats I resultatdelen presenteras faktiska värmeförluster samt beräkning av byggnadens värmeförluster. Jämförelse mellan dessa data visar att den teoretiska beräkningen av värmeförlusterna var ca 1/3 lägre än den faktiska förbrukningen. Ventilationsförluster och transmissionsförluster beräknas vara de två dominerande förlustkällorna. Det kan således konstateras att det teoretiska värdet innehåller stora felmarginaler. Vilka källor kan tänkas bidra till dessa förluster? Allt från enkla beräkningar av U-värden till uppskattade areor och värmegenomgångstal bidrar till de stora felmarginaler som observerades. Det antagna U-värdena för fönster, fönsterdörrar och ytterdörrar kan vara överskattade och detta medför ett lägre energibehov än det faktiska. Vidare, om det tränger in mer utomhusluft än det antagna inflödet så kommer energibehovet för fastigheten att öka. När jag utförde undersökningen med värmekameran så fann jag lägre temperatur vid fönstren, fönsterdörrarna och ytterdörren samt att det drog väldigt kallt i karmarna. En tryckprovning på fastigheten hade kunna avslöjat hur tät byggnaden är vilket skulle ge ett mer korrekt värde av hur mycket värme som tränger sig ut igenom otätheter. Även personalen i fastigheten sa att det drog väldigt mycket kall luft från speciellt fönstren men även från fönsterdörrarna och ytterdörren. Detta kan bidra till för högt uppskattade U- värden på min teoretiska uträkning jämfört med det faktiska vilket i sig leder till att fastigheten idag har en högre förbrukning än vad den skulle kunna ha. En lösning som jag rekommenderar för detta problem vore att utföra en mer grundlig undersökning av fönstren, fönsterdörrarna samt ytterdörren för att se om hur mycket mer man sparar om man skulle byta ut dem. Temperaturen var väldigt ojämn från rum till rum. Ibland kan vissa rum vara så kalla som 15 C enligt personalen. Detta påverkar fastighetens energiprestanda negativt då en jämn temperatur över hela fastigheten är att föredra. Varför rummens temperatur varierade var svårt att säga men vad jag upptäckte var att i vissa rum så fungerade inte temperaturregulatorerna. Sammantaget förslås följande åtgärder för att uppnå bättre energiprestanda i fastigheten: 1. Undersökning och åtgärdandet av de trasiga temperaturregulatorerna för att kunna få en jämnare temperatur i rummen. 2. Bättre isolation av karmar kring fönster och ytterdörrar. Eventuellt kan vissa fönster och ytterdörr behöva bytas ut. 28

35 6. Referenser 6.1 Internet Litteratur Warfvinge, Catarina; Dahlbom, Mats. (2015). Projektering av VVS-installationer. 1:11. uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Alvarez, Henrik. (2013). Energiteknik Del 1. 3:7. Uppl., Lund: Studentlitteratur AB. ISBN Luleå Tekniska Universitet (2016). Indoor climate Formula Assemble. Kurskod F0034T. 29

36 7. Bilagor 7.1 Ritningar Figur Ritning av yttervägg. 30

37 Figur Ritning av byggnadens grundplattor och grundsektioner. 31

38 32

39 Figur Ritning av byggnadens taksektion. 33

40 Figur Ritning av yttervägg till apparatrum. 34

41 Figur Ritning på fastigheten. 35

42 7.2 Energirapporter Figurerna nedanför visar fastighetens förbrukning månadsvis över åren 2009 till och med 2013 i kwh. Fastighet: Gruppboende Lövgränd 3 Energi-typ: Fjärrvärme 36

43 37

44 7.3 Värmekamera Figur Fönsterdörr i ett sovrum Figur Fönster i ett av sovrummen 38

45 Figur Ytterdörr Figur Fönster vid ytterdörr 39

46 Figur Golv vid ytterdörr Figur Fönster och fönsterdörr i köket 40

47 Figur 7.3.7Fönster i köket Figur Tilluftsdon i ett av sovrummen 41

48 Figur Fönster och fönsterdörr i ett av sovrummen Figur Tilluftsdon i ett av sovrummen 42

49 Figur Tilluftsdon i ett av sovrummen Figur Fönsterdörr i ett av sovrummen 43

50 Figur Fönster i ett av sovrummen Figur Tilluftsdon i ett av sovrummen 44

51 Figur Fönsterdörr och fönster i ett av sovrummen Figur Fönster i ett av sovrummen 45

52 Figur Nedre delen av fönsterdörr i ett av sovrummen Figur Fönsterdörr och fönster i ett av sovrummen 46

53 Figur Fönster och fönsterdörr i ett av sovrummen Figur Tilluftsdon i ett av sovrummen 47

54 Figur Fönster i köket Figur Fönster och fönsterdörr i köket 48

55 Figur Fönster i köket Figur Tilluftsdon i köket 49

56 Figur Fönster i tvättstuga Figur Fönster i tvättstuga 50