2014-12-17 1 ATON Teknikkonsult AB Netto värme eller värmeförlusttal - istället för använd energi Alternativa förslag NNE-begrepp Energikrav - begrepp och systemgränser Värme Eje Sandberg ATON Teknikkonsult AB
2014-12-17 2 Innehåll 1. Bakgrund... 2 2. Använd energi enligt CIT förslag... 3 2.1 Förslag... 3 2.2 Problematisk omdefinition... 3 2.3 Förslaget uppfyller inte målen... 5 3. Förslag till NNE begrepp... 5 3.1 Netto värmeenergi ett enklare begrepp... 5 3.2 Värmeförlusttal eller energisignatur ännu enklare... 6 3.3 Kombinera med krav på levererad energi... 7 4. Tidsupplöst resursindextal?... 8 1. Bakgrund Svensk Fjärrvärme har beställt en underlagsrapport av CIT Managements PM "Byggnads energiprestanda använd energi", där begreppet använd energi introduceras som alternativ lösning till dagens begrepp levererad energi i BBR. Rapportens syfte är att utgöra ett underlag i dialogen kring den pågående utredningen hos Boverket om NNEbegreppet. ATON Teknikkonsult har ombetts att ge en second opinion på CITs PM samt lämna eget alternativt förslag. Ett önskemål med en ny definition på energieffektiva byggnader är att den ska skapa likvärdiga förutsättningar för olika energislag, dvs. att byggnadens energieffektivitet ska kunna definieras utan hänsyn till valda energislag för byggnadens uppvärmning och att ett relevant systemperspektiv beaktas så möjliggör val av hållbara energislag.
2. Använd energi enligt CIT förslag 2014-12-17 3 2.1 Förslag Förslaget baseras på att ett energikrav på använd energi, ska ersätta dagens krav på levererad energi. Förslaget refererar till Kyotopyramidens baskrav att minimera energiförluster och utgår från den energi som de tekniska tillförselsystemen tillför rummet för varmvatten, uppvärmning, kyla för att kompensera för förluster via transmission, ventilation och luftläckning utöver tillskott från interna värmekällor. Systemgränsen anges alternativt kunna utökas till att även inkludera elenergi för fastighetens och verksamhetens drift, men i rapporten görs inget ställningstagande. Begreppet inkluderar möjliga avdrag för återvunnen värme definierat via minskad temperatur på avluft (7.1.F) och spillvatten i den mån värmepumpar använder dessa som värmekälla, dock med en begränsning till högst 100 % (kylning till lägre temperatur än omgivningen). Slutligen föreslås att mätningar ska omfatta energileveransen via alla distributionssystem, mätning av förlusterna från distributionen, samt mätningar för att göra avdrag när värmepumpar använder avluft och spillvatten som värmekälla. 2.2 Problematisk omdefinition Förslaget innebär att ett elbaserat produktionssystem får göra avdrag för att den hämtar värme ur avluft och spillvatten, men inte från uteluft, mark eller berg. Alla värmepumpar är produktionssystem oavsett värmekälla. Deras egenskaper definieras utifrån den nytta de skapar utifrån ett försörjningsperspektiv, i detta fall avgiven värmeeffekt, COP-faktor och energislag för tillförd energi (el). Ser vi värmepumpen som en svart låda och till nyttan den gör för byggnaden relativt insatt elinsats så är den exakt samma oavsett var den tar värmen ifrån. COP faktorn kan vara både något högre och något lägre för en frånluftsvärmepump, men styrs huvudsakligen av byggnadens förutsättningar (temperaturnivån på den kondenserande sidan). Värmepump kw COP El 2 1 VP Värme 3 1. Frånlu 2. Utelu 3. Bergvärme, mark Figur 1. Värmepump med samma egenskaper och samma prestanda men olika värmekällor. Varför särbehandla värmepump som tar värme ur frånluft?
2014-12-17 4 Att betrakta frånluftsvärmepump (FVP) som ett återvinningssystem för att denna har frånluft som värmekälla har följande nackdelar: Även om man vill kalla en frånluftsvärmepump för återvinning av värme istället för värmekälla, så blir ventilationens värmeförluster lika stor som för andra frånluftssystem. Det innebär att en större värmepump och en större elinsats krävs, än om byggnadens värmeförluster först reducerats med ett FTX system och därefter kompletterats med en värmepump (se exempel nedan). FTX-system reducerar effektbehovet mer ju kallare utetemperaturen blir och då belastningen på försörjningssystemen är som störst. Ett produktionssystem (FVP) avger värme upp till dess nominella effekt oavsett utetemperatur. För frånluftsvärmepumpar som inte klarar hela värmelasten tillkommer ett effektbehov för att klara topplasten som är större än med ett FTX-system. Detta innebär att ett FTX-system sparar en större andel energi när energiproduktionen är som mest belastad och sparar mer värmeeffekt per energienhet. Förslaget strider mot internationell ISO-standard för värmeåtervinning ur frånluft (SS-EN ISO 13789:2008) som uttryckligen anger att FVP-system inte ska betraktas som värmeåtervinning. Nyttan med att ta värme ur frånluften ska värderas utifrån systemets egenskaper som produktionssystem 1. En sådan avvikelse som förslås försvårar framtida harmoniseringar med andra länder. I ISO/DIS 13790 anges systemgränsen för ventilationens värmeförluster som skillnaden mellan innetemperatur och tilluftstemperatur (inte avluftens temperatur som i CIT förslaget). För FTX-system är det tilluftens temperatur efter växlaren som räknas. Med denna systemgräns kan även förvärmning av tilluft via markkanal eller markväxlare också tillgodogöras som minskade värmeförluster trots att dessa inte är värmeåtervinning utan passiv förvärmning. Det är både rimligt och bra. Med systemgräns enligt internationell standard blir också såväl kalkyl som mätuppföljning enklare utan ett antal avdrags- och tilläggskorrigeringar. Exempel En byggnad i klimatzon III förses med en frånluftsvärmepump (FVP) som klarar i princip hela värmelasten. Om byggnaden istället har ett värmeåtervinningssystem av typ FTX och som sen kompletteras med en markvärmepump för värmeproduktionen kommer elanvändningen minska med 12 kwh/m2. Förklaringen är att FVP-systemet inte är ett återvinningssystem och har ett faktiskt värmebehov netto på ca 35 kwh/m2 extra. Det kan finnas motiv för att en byggnad ska kunna använda en frånluftsvärmepump. En sådan kan vara att denna lösning ger uppenbara kostnadseffektiva fördelar både idag och på sikt. I så fall ska detta hanteras genom att kravnivån för en viss byggnadskategori läggs på en nivå så att denna kan klaras även med ett frånluftssystem. Var kravnivåerna bör ligga diskuteras inte i detta PM. 1 For systems with heat recovery from exhaust air to the hot water or space heating via a heat pump, the ventilation rate is calculated without any reduction (ISO 13789).
2.3 Förslaget uppfyller inte målen 2014-12-17 5 Konsekvenserna av att definiera ett produktionssystem som återvinning blir följande: Definitionen strider mot målet att skilja på byggnadens egenskaper och försörjningssystemets (ett värmepumpsbaserat system är elbaserat). Definitionen följer inte Kyotoprotokollets principer. Byggnaden kan inte bibehålla sina egenskaper och byta ut frånluftsvärmepumpen (eller stänga av den) och övergå till fjärrvärme om prisförutsättningarna skulle tala för en sådan lösning. I småhus kan frånluftsvärmepumpar ta hela värmelasten och dessa byggnader är därmed helt elbaserade och för sina egenskaper låsta till ett givet produktionssystem. En värmepump som tar värme ur spillvatten i byggnaden får bättre prestanda än om samma byggnad köper fjärrvärme där en värmepump tar motsvarande mängd värme ur spillvattnet vid reningsverket. Eftersom begreppet "använd energi" enligt CITs förslag inbegriper flera problematiska delar utöver hanteringen av frånluftsvärmepumpar föreslås att detta begrepp läggs åt sidan. 3. Förslag till NNE-begrepp Centrala mål för ett NNE-begrepp kan vara: Hänsyn till att energi i Sverige är kostsammare vintertid då efterfrågan på värme är som störst (tidsberoende, utetemperaturberoende, effektberoende). Krav ska kunna formuleras på en energieffektiv byggnad oavsett val av energislag Beakta energisystemet Regler som man förstår, enkelhet Det går inte att fånga alla mål i ett krav/parameter. Även dagens krav är en kombination med köpt energi, U-medel, max eleffekt, etc. Här föreslås en användbar kombination av parametrar/krav som leder till bäst måluppfyllelse. Inledningsvis med ett delkrav som enbart omfattar byggnadens egenskaper och som påverkar inte bara köpt energi utan också effektbehovet när det är som kallast, dvs. två av de egenskaper som efterfrågas. 3.1 "Netto värmeenergi" ett enklare begrepp Detta delkrav omfattar själva byggnaden. "Netto värmeenergi" definieras som värmebehovet på årsbasis och beräknas utifrån byggnadens värmeförluster för ventilation, transmission och luftläckning på motsvarande sätt som CIT-förslaget men definierar ventilationens värmebehov enligt ISO/DIS 13790, dvs. baserat på tilluftens temperatur efter eventuell värmeväxlare och utan omotiverade korrigeringar för frånluftsvärmepumpar. Mätverifiering baseras på uppmätt tillförd energi efter panna/värmepump/undercentral. Systemgränsen kan utökas till att även omfatta varmvattenenergi och fastighetsel. Nackdelen med att inkludera varmvattenenergi är att denna post huvudsakligen är
2014-12-17 6 beteenderelaterad och därför i princip endast mäts upp och mätkorrigeras mot valt referensvärde. De åtgärder som finns att välja på är; Energieffektiva armaturer vilket empiriskt visar på besparingar på nivån 20 30% relativt standardarmaturer. Fördelningsmätning (IMD), som i vissa studier uppges ge besparingar på nivån 20%, men i andra studier inte ge någon besparing alls. Flertalet studier har dock inte jämfört förbrukning relativt antal personer utan enbart på uppvärmd area. Vidare förefaller skillnader i beteende vara stor beroende på upplåtelseformer, demografiska och geografiska skillnader. Slutligen påverkas utfallet också av hur kunden informeras och debiteras för avvikande varmvattenbeteende, varför säkra slutsatser om spareffekten inte kan ges. Värmeåtervinningssystem ur spillvatten. Dessa har i etablerade system uppmätts till ca 10 %. Det finns lovande system, men dessa är ännu av försökskaraktär och saknar verifierade data. Idag är det referensvärden enligt Sveby som styr vad som anses vara normalt brukande. Generella avdrag för energieffektiva armaturer eller IMD kan därför inte tillgodogöras och då blir varmvatten enbart en icke påverkbar energipost och därmed inte meningsfull att inkludera i netto energikalkylen. Fastighetsel saknar också data från empiriska studier för vilka åtgärder som ger vilka effekter, men såväl varmvatten som fastighetsel kan hanteras i ett kompletterande energikrav som styr på systemnivå, se nedan. 3.2 Värmeförlusttal eller energisignatur ännu enklare Värmeförlusttalet vid dimensionerande utetemperatur är enbart kopplat till byggnadens värmeförluster. En sämre byggnad kan inte kompenseras av solvärmeinstallationer, värmepumpar eller andra tillförselssystem. Värmeförlusttalet är enklare att beräkna och hantera i program- och systemskede eftersom de är rent fysikaliska indata som krävs, de som påverkar byggnadens förluster. Inga data om solinstrålning, skuggningsförhållanden, spillvärme från verksamheten och människors beteende behövs. Därmed blir denna kalkyldel tryggare för byggentreprenören att hantera. Värmeförlusttalet tillämpas i ett antal kommuner och för alla byggnader som uppförts enligt FEBY12 kriterierna för passivhus och minienergihus och är därmed demonstrerat som ett operativt och användbart begrepp. Men det är inte ett allmänt etablerat begrepp hos gemene man och därför svårare att kommunicera med icke tekniker. Ett delkrav av mer teknisk karaktär kan dock användas i kombination med andra delkrav (köpt energi) eller översättas till en övergripande terminologi på motsvarande sätt som andra egenskapskrav där de tekniska detaljerna hanteras av specialisterna på delområdet (jämför med fuktsäkert byggande, ljudklassning, brandsäkerhet). Mätverifiering sker enklast med mätning av tillförd värmeenergi i relation till utetemperaturen, vilket kan ske redan första vinterperioden och snabbt ge en återkoppling till byggprojektet. Erhållen energisignatur för byggnaden extrapoleras till DVUT (Dimensionerande Vinterutetemperatur).
2014-12-17 7 Byggnadens energisignatur, som beskriver effektuttaget som en funktion av utetemperaturen, är ett annat sätt att formulera krav på samma egenskaper som för värmeförlusttalet. Energisignaturen är oberoende av klimatort. Om ett energikrav ska vara generellt gällande för hela landet (byggnaden ska kunna flyttas runt utan att behöva ändras) är energisignatur ett möjligt alternativ. Men ett krav på värmeförlusttal kan också knytas till en fast ort (i Norge har man valt Oslo som referensort). När värmeförlusttalet beräknas för den faktiska orten så ger den en mer direkt kunskap om byggnadens egenskaper eftersom detta begrepp är starkt relaterat till byggnadens värmebehov. Därför rekommenderas begreppet värmeförlusttal, men NNE-kravet kan knytas till en faktisk ort. Delsystemkrav ger mindre frihet Delsystemkrav som klimatskalets U-medelvärde, täthet och verkningsgrad för ventilationssystemen kan kombineras så att samma egenskaper erhålls men ger projekten mindre frihet och kan därmed vara mer återhållande för teknisk utveckling. 3.3 Kombinera med krav på levererad energi För att enkelt kunna kommunicera byggnadens egenskaper mellan köpare/förvaltare behövs en energideklaration om levererad energi till byggnaden för olika energislag. Ett sådant krav finns redan. Ett krav som kopplar till begreppet levererad energi kan som idag differentieras för byggnader som baserar sin uppvärmning på elenergi (nästan alla småhus) eller på fjärrvärme (nästan alla nya lokaler och flerbostadshus) är detta ett enkelt och begripligt energikrav som också kan mätas och kommuniceras. Med denna kombination av krav på värmeförlusttal och levererad energi har i praktiken inga andra systemlösningar valts för byggnader som uppförs enligt FEBY12. Systemlösningar som idag kan ses med värmepumpar (av något slag) i kombination med fjärrvärmespets (för att undvika elklassningen) är enbart en konsekvens av nuvarande BBR-utformning. För att inte förhindra en utveckling med kombinerade energisystem krävs dock någon form viktningstal mellan olika energislag i de fall man önskar installera just kombinerade energisystem. Om kravet på värmeförlusttal (eller alternativ enligt ovan) utformas som det skarpaste kravet, så har det en mindre betydelse om viktningsfaktorn mellan t.ex. el och fjärrvärme är 2,5 eller 4. Viktningstalet och differentieringen för olika energislag har huvudsakligen till syfte att främja att effektiva värmepumpssystem väljs istället för ren elvärme och låsningar till direktverkande elvärme. Men kravet på levererad energi ger också incitament för att välja rimligt effektiva system för varmvatten och fastighetsel som inte berörs av kravet på värmeförlusttal. Eftersom NNE-direktivet uttrycker ett krav på att primärenergifaktorer ska utgöra en del av energikraven, så bör därmed även direktivets krav kunna vara uppfylld och om
2014-12-17 8 kravnivån för elvärmda kontra icke elvärmda byggnader kan härledas till en sådan faktor. 4. Tidsupplöst resursindextal? Ska byggreglerna och NNE-begreppet främja energitekniska tillförsellösningar placerade på byggnaden eller fastigheten? Ska begreppen även främja köp och sälj av el och värmeenergi mellan byggnader eller mellan byggnader och distributionssystem? Det vore onekligen intressant. Problemet är inte bara komplexiteten mellan olika energislags energikvalitetsnivå utan också den tidsberoende aspekten där solen i Sverige är hårt kopplad till sommar och väderberoende, samt ellastens dygnsprofil. Ett primärenergital som även tar hänsyn till aspekten uthållighet och knapphet vore önskvärt. Arbetet med att utveckla mer nyanserade primärenergi /resursindextal och som också hanterar energislagens värde tidsupplöst under dygnet och året bör komma igång. Ett sådant blir avgörande för att nollenergihus eller plusenergihus som uppförs verkligen ska ge den systemnytta som begreppen föranleder oss att tro. Väl utvecklat och testat kan ett sådant system möjligen implementeras till 2020 på bred front via BBR. Tills vidare kan ett grovt relationstal mellan el och fjärrvärme enligt förslaget (3.3 ovan) räcka, förutsatt att det inte är levererad energi (viktad eller oviktad) som blir den styrande parametern för byggnadens utformning utan enbart påverkar systemval för produktionssystemen och prestanda på dessa. Erfarenhetsmässigt (FEBY12) krävs att konsekvensanalyser för olika kombinationer mellan värmeförlusttal och levererad energi görs så att olika kategorier av byggnader täcks upp.