Energisystem för villabruk - En kostnadsjämförelse mellan fjärrvärme och värmepump/solfångare

Energisystem för villabruk - En kostnadsjämförelse mellan fjärrvärme och värmepump/solfångare nilsson_sam@hotmail.com Markus Halén mushen02@student.umu.se Handledare: Lars Bäckström

Innehållsförteckning Inledning... 3 Tillvägagångssätt... 4 Uppvärmningsbehov... 4 Tappvarmvattenbehov... 6 Värmepump... 6 Solfångare... 7 El-patron... 8 Ackumulatortank... 8 Fjärrvärme... 10 Utförande... 11 Resultat... 12 Slutsats och diskussion... 15 Källförteckning... 16 2

Inledning Tanken med detta projekt är att göra en kostnadsjämförelse för en villa med alternativen att antingen ansluta sig till fjärrvärme eller att ha ett eget energisystem bestående av en värmepump och solfångarpanel, samt en el-patron och ackumulatortank. Med dagens energipolitik och kommande prisstegringar på olja och el är det av högsta intresse för många privatpersoner att byta energikälla för uppvärmningen och tappvarmvattenberedningen för huset. Konvertering från olja/el är något staten för närvarande starkt subventionerar, vilket minskar den ekonomiska belastningen en sådan investering kan medföra. Vi har vid denna simulering använt oss av optimeringsprogrammet WhatsBest! som är en tilläggsapplikation till Excel. Detta för att finna den mest lönsamma dimensioneringen av de olika parametrarna vid val av ett eget energisystem. Vår tillämpning riktar sig till villor i stadsomnejd, vilket gör att vi valt att använda oss av en bergvärmepump. Vi tycks se att denna tillämpning är mer av realitet då jordvärmepumpar kräver en yta som oftast överstiger den genomsnittliga tomtarean för villaområden invid närbelägen fjärrvärmedistribution. Figur 1. Skiss över ett komplett energisystem för villabruk. Beteckningen för pannan motsvarar i vårt fall värmeväxlaren från värmepumpen. 3

Tillvägagångssätt Uppvärmningsbehov För att göra en utredning om en villas uppvärmningsbehov krävs vetenskap om husets transmissions- och ventilationsförluster samt inomhus- respektive utomhustemperaturen under ett normalår. Ekvationen för uppvärmningsbehovet ges av: P uppvärmning U A + (1 ) V C p ) ( Tinne Tute ) = ( η ρ P P P [W] (1) el person sol där P uppvärmning = Uppvärmningsbehovet [W] U A = Värmeledningsförmåga [W/ C] η = Luftomsättning V = Luftflöde [m 3 /s] ρ = Densiteten för luft [kg/m 3 ] C p = Specifika värmekapaciteten för luft [J/kg C] T inne = Innetemperaturen [ C] T = Utomhustemperaturen [ C] ute P = Värmeeffekten som tillförs av hushållselen [W] el P = Värmeeffekten som tillförs från personerna i hushållet [W] person P sol = Värmeeffekten som tillförs från solen [W] U A representerar transmissionsförlusterna i huset, vilket utgörs av väggar, fönster, dörrar, golv och tak. Dessa antas vara konstanta. ( p 1 η ) V ρ C ) representerar ventilationsförlusterna, och även dessa antas vara konstanta. Detta ger oss en ekvation av form: P uppvärmning = K ( T T ) P P P [W] (2) tot inne ute el person sol I vårt fall antar vi ett årligt uppvärmningsbehov på 25000 kwh/år och en konstant inomhustemperatur på 21 C. Utomhustemperaturen fluktuerar över året och är i detta fall tagen för år 2002. Temperaturdata är hämtat från Umeå universitets väderstation och visar genomsnittstemperaturen för två dygn under ett år (se figur 2). 4

Temperatur [C] 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00-5,00-10,00-15,00-20,00-25,00 2002-01-02 2002-02-02 2002-03-02 2002-04-02 2002-05-02 2002-06-02 2002-07-02 2002-08-02 2002-09-02 2002-10-02 2002-11-02 2002-12-02 Tid [dygn] Figur 2. Tvådygnsmedelvärden för utomhustemperaturen i Umeå år 2002. Vid beräkning av erforderligt uppvärmningsbehov har inomhustemperaturen korrigerats för att kompensera för den värme som ges från personer i hushållet samt den värme som ges från solen och hushållsapparaturen. Tabell 1 visar den korrigerade inomhustemperaturen 1 Månad Temperatur [ C] Januari 17 Februari 17 Mars 17 April 12 Maj 10 Juni 10 Juli 10 Augusti 11 September 12 Oktober 13 November 17 December 17. 1 Optimering av värmepumpsanläggning kompletterad med solfångare (A. Andersson, J. Henriksson) 5

Tappvarmvattenbehov Bestämning av tappvarmvattenbehovet är mer komplext och varierar från fall till fall. Tappvarmvattenbehovet står ungefär för 20-25 % av det totala värmebehovet 2. Detta ger oss ett tappvarmvattenbehov på ca 7500 kwh/år. Detta behov fluktuerar över året och är som störst vintertid och som lägst sommartid. En modell över behovet har skapats med hjälp av en typisk tappvarmvattenprofil 3. 60,00 50,00 Effekt [kwh/2-dygn] 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 2001-11- 05 2001-12- 25 2002-02- 13 2002-04- 04 2002-05- 24 2002-07- 13 2002-09- 01 2002-10- 21 2002-12- 10 2003-01- 29 Tid [dygn] Figur 3. Typisk tappvarmvattenprofil under ett år. Värmepump Vid val av värmepump har produkt och kostnadsinformation hämtats från NIBE 4. Produkten heter NIBE Fighter 1225 och ges i varierande effektstorlekar. Värmepumpen är testkörd av tidskriften Råd & Rön 5, och visade på en värmefaktor runt 3,0, dvs. ett COP värde på 3,0. Prisuppgifter för själva värmepumpen är inga problem att införskaffa, däremot är installationskostnaden betydligt svårare att sätta en fast kostnad på. Denna är helt beroende på hur djupt borrhålet måste göras för att kunna tillgodose värmebehovet. Ett schablonvärde på 80000 kr för installationen är satt 6 och en linjärisering för totalkostnaden är skapad. Modellen ges av figur 4. 2 Tappvarmvatten i flerbostadshus (D. Olsson) 3 Fjärrvärme (S. Frederiksen, S. Werner) 4 www.nibe.se 5 Råd & Rön nr 2/06 6 (Ronny Östin) 6

140000 138000 136000 y = 2067,8x + 113969 134000 132000 [kr] 130000 128000 126000 124000 122000 120000 0 2 4 6 8 10 12 14 [kw] Figur 4. Linjärisering av totalkostnaden för investering i en bergvärmepumpsanläggning med avseende på värmepumpens effekt. Totalkostnaden för investeringen är linjär och ges av: C 2067,8 P + 113969 [kr] (3) värmepump = VP Den rörliga kostnaden för en värmepump är beroende av elpriset och uppgår till en tredjedel av den levererade effekten värmepumpen ger multiplicerat med elpriset. Solfångare I dagsläget ges ett statligt bidrag från Boverket till solfångare som uppfyller de inledande kontrollproven som SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut gör. Bidraget är satt till 2,50 kr för varje kwh/år som solfångaren producerar och får maximalt uppgå till 7500 kr 7. Detta ger oss att en eventuell investering i solfångare bör uppfylla Boverkets krav. Den solfångare vi funnit mest attraktiv är listad från SP och uppfyller kraven från Boverket. Kostnaden för solpanelen är 4364 kr/m 2 exklusive bidrag och görs av Solenergiteknik AB 8. Vid test visar solfångaren på en verkningsgrad runt 68 % vid en medeltemperatur på 50 C 9. 7 www.boverket.se 8 www.solenergiteknik.se 9 www.sp.se 7

Med medeltemperaturen avses medelvärdet av värmebärarens ingående och utgående temperatur vid passage genom solfångaren. Effekten hos solfångaren är beroende på solinstrålningen för det givna stället. I detta fall har vi använt oss av data över solinstrålningen för Umeå universitets väderstation och året är 2002. Figur 5 visar solinstrålningen i W/m 2. Solinstrålning [W/m2] 400 350 300 250 200 150 100 50 0 2002-01-02 2002-02-02 2002-03-02 2002-04-02 2002-05-02 2002-06-02 2002-07-02 2002-08-02 2002-09-02 2002-10-02 2002-11-02 2002-12-02 Tid [dygn] Figur 5. Solinstrålningen i Umeå under 2002. El-patron El-patronen är tänkt att användas dagar då värmepumpen och solfångaren inte räcker till för värmebehovet och används i huvudsak under kalla dagar vintertid. Kostnaden för denna investering är relativt oberoende av dess storlek och är i detta fall satt till 1500 kr. Den rörliga kostnaden ges av den totala effekten el-patronen levererar multiplicerat med elpriset. Ackumulatortank För att överhuvudtaget kunna förse en villas värmebehov med en värmepump och solfångare måste en ackumulatortank eller en varmvattenberedare installeras. Det är framförallt för tappvarmvattenbehovet ett sådant arrangemang måste tillämpas, ty då en pik i varmvattenförbrukningen sker måste det finnas ackumulerad värme att tillgå för att klara av behovet. En pik i varmvattenproduktionen på 50 kw är inte omöjlig och för att klara av behovet utan ackumulerad värme krävs en värmepump på motsvarande effekt, vilket är helt orealistiskt med tanke på dess kostnad och begränsningar. 8

För att en solfångare skall kunna operera under optimalt förhållande så är det ett krav att man har en ackumulatortank att tillgå. Att installera en varmvattenberedare är slöseri på högvärdig energi, då den drivs av en elpatron, utan en ackumulatortank är ett betydligt mer effektivt sätt då den kan ta tillvara på överskottsvärme. En vedertagen tumregel vid dimensionering av ackumulatortank är att den skall rymma 2-3 ggr det dagliga tappvarmvattenbehovet som uppgår till ca 75 l/person multiplicerat med det antal personer i hushållet 10. Det ger oss att vår tank bör vara av storleksordning 500 liter för en småbarnsfamilj. Kostnaden för denna investering grundar sig i prisuppgifter från Borö pannan AB och är beroende av tankvolymen 11. En linjärisering av kostnaden ges av figur 6. Kostnad [kr] 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 y = 7900,4x + 7211,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Volym [m3] Figur 6. Linjärisering av kostnaden för investering i en ackumulatortank med avseende på tankens volym. Kostnaden för investeringen av en ackumulatortank är linjär och ges av: C 7900,4 V 7211,5 [kr] (4) ackumulator tan k = ACK + 10 elektronik och fysik (Åke Fransson) 11 www.boropannan.se 9

Fjärrvärme Vår simulering är en kostnadsjämförelse mellan fjärrvärme och eget energisystem. Den totala installationskostnaden för fjärrvärme uppgår till 44 000 kr och en årlig fast kostnad på 1720 kr. Utöver detta tillkommer en rörlig kostnad på i dagsläget 0,56 kr/kwh (rörligt pris) 12. Ekonomi Vid all kostnadsberäkning har en ränta på 5 % tagits i beaktning och en återbetalningstid på 20 år. Eftersom en konvertering från el är subventionerad både för fjärrvärme och värmepump finner vi det ej nödvändigt att vid beräkningarna ta med denna subventionering, då vi endast gör en kostnadsjämförelse dem emellan. Vid beräkning av årlig kostnad tillämpas annuitetsmetoden som lyder: n r( 1+ r) ( 1+ r) 1 A (5) där: = n A = annuiteten r = räntan n = återbetalningstiden 12 www.umeaenergi.se 10

Utförande Vår simulering bygger på att villans energisystem måste kunna leverera det värmebehov som uppstår under en tvådygnsperiod. Detta antingen via värmepumpen, solfångaren, el-patronen, ackumulatortanken eller alternativt en kombination av de olika energikällorna. Nackdelen med denna applikation är att den endast ser till medelvärden för effektbehovet under en tvådygnsperiod. För själva uppvärmningen är detta inget större bekymmer, då förändringar i uppvärmningsbehovet ofta är en trög process. För tappvarmvattenbehovet blir dock detta ett större problem, då behovet för tappvarmvatten ofta fluktuerar kraftigt under en dag. Detta kompenserar dock ackumulatortanken i realiteten men osäkert om simuleringen klarar av det. Det bästa vore om vår applikation kunde köras med tätare medelvärden än tvådygnsintervall. Dock klarar inte licensen som Umeå universitet innehar av WhatsBest! lägre intervall på medelvärdena. Tabell 2 visar de variabler simuleringen tar hänsyn till. Uppvärmningsbehov (kwh/år) Tappvarmvattenbehov (kwh/år) Elpris (kr/kwh) COPvp verkningsgrad solfångare (%) Återbetalningstid (år) Ränta Bidrag för solfångare (kr) Installationskostnad fjärrvärme (kr) Driftskostnad fjärrvärme (kr/kwh) Fast årlig avgift fjärrvärme (kr) Ändras någon av följande variabler blir följderna ett annat optimeringsresultat och en annorlunda dimensionering av energisystemet. 11

Resultat Den optimering vi har gjort för grundfallet, då vi har ett totalt värmebehov på 32500 kwh/år och ett rörligt elpris på 0,85 kr/kwh 13 ger oss en total årlig kostnad på 20878 kr/år för det egna energisystemet samt en årlig totalkostnad på 23432 kr/år för fjärrvärmetillämpning. Övriga indata för grundfallet ges av tabell 3. Tabell 3. Indata för grundfallet. Uppvärmningsbehov 25 000 kwh/år Tappvarmvattenbehov 7 468 kwh/år Elpris 0,85 kr/kwh COPvp 3,00 verkningsgrad solfångare 0,68 Återbetalningstid 20,00 år Ränta 0,05 Bidrag för solfångare 2,50 kr Installationskostnad fjärrvärme 44 000,00 kr Driftskostnad fjärrvärme 0,56 kr/kwh Årlig avgift fjärrvärme 1 720,00 kr Den procentuella andelen för varje energiproducerande enhet ges av figur 7. 0,39 6,44 Värmepump Solfångare Elpatron 93,17 Figur 7. Procentuella andelen för varje energiproducerande enhet. Ett varaktighetsdiagram för grundfallet ges av figur 8. 13 www.umeaenergi.se 12

600 500 Effekt [kwh] 400 300 200 100 0-100 2 32 62 92 122 152 182 212 242 272 302 332 362 Tid [dygn] Elpatron Solfångare Värmepump Ackumulatortank Figur 8. Varaktighetsdiagram för grundfallet i simuleringen. Hur de olika enheterna producerar värme över året ges av figur 9. 600,00 500,00 400,00 Effekt [kwh] 300,00 200,00 100,00 Elpatron Solfångare Värmepump Ackumulatortank 0,00-100,00 1 22 43 64 85 106 127 148 169 Tid [dygn] Figur 9 visar hur de olika enheterna arbetar under året. Vi ser tydligt hur säsongsberoende solvärmeproduktionen är med dess topp sommartid. Elpatronen används som spetskraft vintertid då värmepumpen ej räcker till. Man kan också tydligt se hur ackumulatortanken arbetar framförallt vintertid men också sommartid för att ackumulera den värme solfångarna producerar. 13

En känslighetsanalys har även skapats för att utreda hur pass känsligt energisystemet är för förändringar i elpriset och värmebehovet. I figur 10 ser vi den årliga kostnaden för energisystemet och för fjärrvärme då vi varierar elpriset och håller övriga variabler konstanta. Figur 11 visar den årliga kostnaden vid en förändring i det totala värmebehovet. Kostnad (kr/år) 25000 24500 24000 23500 23000 22500 22000 21500 21000 20500 20000 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Elpris (kr/kwh) Energisystem Fjärrvärme Figur 10. Jämförelse mellan fjärrvärme och eget energisystem för olika elpris (värmebehov = 32500 kwh). 27000 25000 Kostnad (kr/år) 23000 21000 19000 17000 15000 20000 22500 25000 27500 30000 32500 35000 37500 Värmebehov (kwh/år) Energisystem Fjärrvärme Figur 11. Kostnadsjämförelse mellan fjärrvärme och eget energisystem för olika värmebehov (elpris = 0,85 kr/kwh). Man kan ur figur 11 se en trend som tyder på att ju lägre värmebehov en villa har desto mer konkurrenskraftig blir fjärrvärmen. 14

Slutsats och diskussion Detta projekt syftade till att jämföra ett eget energisystem för villabruk kontra fjärrvärme. På papperet en lätt uppgift men i realiteten betydligt svårare att jämföra. De resultat vi kom fram till måste tolkas med viss försiktighet pga. WhatsBest!:s begränsningar samt den osäkerhet som finns i prissättningarna hos de olika komponenterna. Programmet kräver att kostnaderna för enheterna är linjära med avseende på dess storlek, vilket ger oss en viss osäkerhet i prissättningen. Som tidigare nämnt kan vi endast simulera med tvådygnsmedelvärden, som leder till en kraftig approximation av det faktiska effektbehovet vid en given tidpunkt. Tidpunkter då vi har effekttoppar i värmebehovet slätas därmed ut och vi får ett mindre realistisk scenario i effektförbrukningen. En annan viktig parentes är att i vår optimering kan ackumulatortanken känna om ett stort värmebehov är på ingång. Detta gör att den ett dygn innan en effekttopp börjar lagra ackumulerad värme för att sedan urladdas under toppdygnet. Detta scenario måste ses som högst orealistiskt och därmed leder till ett osäkrare slutresultat. I känslighetsanalysen över elpriset tas ingen hänsyn till en eventuell höjning av fjärrvärmepriset i samband med en höjning av elpriset. Ett troligt scenario är att fjärrvärmepriset skulle följa elpriset något sånär och att break-even skulle inträffa vid ett högre elpris än 1,10 kr/kwh som figur 11 visar. Energisystemet för villabruket kommer klara av en plötslig stegring av elpriset bättre än om liknande situation skulle inträffa vid ett förhöjt fjärrvärmepris. Detta pga. att endast en knapp tredjedel av husets totala värmebehov är beroende av elpriset. I fallet med fjärrvärme avser den täcka allt värmebehov en villa har och blir således helt beroende av fjärrvärmepriset. Då fjärrvärmedistributören har fullständigt monopol över prissättningen för fjärrvärmen leder detta till att en sådan investering blir mer utsatt vid en framtida höjning av fjärrvärmepriset. Vid konvertering till värmepump utgör kostnaden för borrningen den största enskilda utgiften. Denna är helt beroende av vilket djup grundvattnet befinner sig på och vilken marktyp som finns. Detta leder till stora svängningar i investeringskostnaden och varierar kraftigt från fall till fall. Därför blir ett schablonvärde en grov approximation av den faktiska kostnaden. Vår simulering av grundfallet gav oss att en investering i ett eget energisystem med dagens prissättningar är mer lönsam än en konvertering mot fjärrvärme. 15

Källförteckning 1) Optimering av värmepumpsanläggning kompletterad med solfångare (A. Andersson, J. Henriksson) 2) Tappvarmvatten i flerbostadshus, Sveriges provnings- och forskningsinstitut (D. Olsson) 3) Fjärrvärme: Teori, teknik och funktion, (S. Frederiksen, S. Werner) 4) www.nibe.se 5) Råd & Rön nr 2/06 6) (Ronny Östin) 7) www.boverket.se 8) www.solenergiteknik.se 9) www.sp.se 10) elektronik och fysik (Åke Fransson) 11) www.boropannan.se 12) www.umeaenergi.se 13) www.umeaenergi.se 16