Optimering av el- och uppvärmningssystem i en villa

UMEÅ UNIVERSITET 2007-05-29 Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Optimering av el- och uppvärmningssystem i en villa Oskar Lundström Victoria Karlsson Sammanfattning Denna uppgift gick ut på att simulera och optimera både el- och uppvärmningssystem i en villa i Umeå. Som utgångsfall har denna villa direktverkande el och fjärrvärme. Till elförsörjning finns vindkraft som alternativ till direktverkande el. Vid simuleringen som gjorts visar det sig att det mest lönsamt kostnadsmässigt att installera ett vindkraftverk med en effekt av 2,3 kw. Vissa månader under året räcker inte detta vindkraftverk till för att tillgodose elbehovet och då kommer direktverkande el att användas som komplement. Uppvärmningen av villan kan ske genom fjärrvärme, solvärme, bergvärme eller med en pelletspanna. Med de aktuella priserna visar det sig att pelletspannan är det mest kostnadseffektiva alternativet. Besparingen ur värmekostnadssynpunkt blir dock inte särskilt stor jämfört med att behålla fjärrvärmen. Den totala energikostnaden per år kommer att uppgå till ungefär 12 500 kronor. Detta inkluderar användning av vindkraft, direktverkande el och pelletspanna. Projektarbete inom kursen Simulering och optimering av energisystem, 5 poäng Civilingenjörsprogrammet i energiteknik Handledare: Lars Bäckström

Innehåll Inledning... 3 Utförande... 4 Elförsörjning... 5 Värmeförsörjning... 6 Resultat... 8 Slutsatser och diskussion... 9 Källförteckning... 11 2

Inledning Som projektuppgift inom kursen simulering och optimering av energisystem valdes en studie av el och värmeförsörjning i en villa. Villan ligger i Umeå och aktuella data har i största möjliga mån anpassats till det. Tanken med projektet är att förse huset med både el och värme till den lägsta möjliga årskostnaden. Som utgångsfall har huset direktverkande el och fjärrvärme installerat. Simuleringen kommer bara att utgå ifrån årskostnader och målet är att få en så låg årskostnad som möjligt och ändå tillgodose både el- och värmebehovet. För att uppfylla elbehovet är tanken att installera ett vindkraftverk. Effekten på detta ska beräknas av programmet så att årskostnaden för elförbrukningen blir så låg som möjligt. Programmet kan alltså välja att fortsätta att använda sig av direktverkande el om vindkraftinstallationen skulle bli för dyr. Men med en tillräckligt lång återbetalningstid kommer det att bli lönsamt med vindkraft för att förse huset med el. Vindkraft är en gratis energikälla när den väl är uppbyggd. Värmebehovet ska sedan tillgodoses med det bästa alternativet av solvärme, bergvärme, fjärrvärme och en pelletspanna. För att lagra en del energi används också en ackumulatortank. Programmet är utformat så att en ackumulatortank endast köps in i fallen med solvärme och pelletspanna. 3

Utförande Till husets elförsörjning valdes vindkraft och som komplement till detta direktverkande el. Husets värmebehov förses med det som visar sig mest lönsamt kostnadsmässigt mellan solvärme, bergvärme, fjärrvärme och en pelletspanna. Som utgångsfall antogs att huset hade fjärrvärme installerat och direktverkande el. Programmet beräknar vad som ger den lägsta årskostnaden. Husets elförbrukning och värmebehov har beräknats utifrån elförbrukning och värmebehov för ett hyreshus. Värdena har anpassats till husets area. Hyreshusets area var 14 511 m 2 och villans area 120 m 2. Anpassningen kan ses i tabell 1. Tabell 1. Energiförbrukning. Månader Hyreshus Villa Hyreshus Villa Villa År 2005 Hushållsel Hushållsel Värme Värme Totalt energibehov [MWh] [kwh] [MWh] [kwh] [kwh] Jan 66,15232 547,0524705 228,62 1890,59334 2437,645814 Feb 56,17709 464,5614224 236,33 1954,35187 2418,913293 Mar 58,48927 483,6821997 250,74 2073,51664 2557,198842 Apr 52,13672 431,1492247 139,65 1154,84805 1585,997271 Maj 46,76206 386,7029977 93,36 772,048791 1158,751788 Jun 38,43228 317,8191441 57,125806 472,406917 790,2260612 Jul 30,25463 250,193343 36,47 301,591896 551,7852388 Aug 36,00391 297,7375233 49,228 407,095307 704,8328303 Sep 32,91748 272,214017 65,448387 541,231235 813,445252 Okt 52,65664 435,4487492 118,96 983,750258 1419,199008 Nov 56,72336 469,0788505 167,56 1385,65226 1854,731114 Dec 65,58272 542,3421129 229,3 1896,21666 2438,558776 Totalt 592,28848 4897,982055 1672,7922 13833,3032 18731,28529 4

Elförsörjning Vid de beräkningar som har gjorts för vindkraften valdes ett antal vindkraftverk med olika effekt och utifrån dessa gjordes en linjärisering av priset på dem. 1 Resultatet kan ses i figur 1. Vindkraften är effektbegränsad under olika perioder av året och detta har också tagits hänsyn till i beräkningarna. Effektbegränsningarna kan ses i tabell 2. Vindkraftverkspriser Kostnad [kr] 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 y = 8,2194x + 3800,7 0 5000 10000 15000 20000 25000 Effekt [W] Figur 1. Linjärisering av priser på vindkraftverk. Tabell 2. Vindkraftens tidsberoende. Månader Delperiod Kapacitetsfaktor Kapacitetsfaktor medel November-mars toppdygn 0,08 0,283046358 November-mars kl 06-22 0,3 November-mars kl 22-06 0,27 Apr,sep,oktober kl 06-22 0,23 0,216666667 Apr,sep,oktober kl 22-06 0,19 Maj-augusti kl 06-22 0,19 0,176666667 Maj-augusti kl 22-06 0,15 Eftersom de tidsindelningar som angavs i tabell 2 var baserade på klockslag så beräknades medelvärden på kapacitetsfaktorn för de olika månaderna. Som komplement till vindkraften används direktverkande el. Elpriset gäller för Umeå. 2 Programmet kommer sedan att välja det mest lönsamma kostnadsmässigt vid körning. 1 Artuniverse AB 2 Umeå Energi 5

Värmeförsörjning Husets värmeförsörjning kan ske på fyra olika sätt; solvärme, bergvärme, fjärrvärme och med en pelletspanna. Programmet är utformat så att den mest kostnadseffektiva metoden används. Detta kan innebära att ett värmeslag enbart kommer att stå för uppvärmningen likaväl som att en kombination av flera används. Vid beräkningarna för solvärmesystemet har värden på solinstrålning i Umeå år 2005 använts. 3 En kostnad för solvärmesystemet per m 2 användes vid dessa beräkningar. 4 Hänsyn togs också till att det finns en del förluster i systemet. I tabell 3 kan de aktuella effekterna ses vid olika månader. Tabell 3. Solinstrålning i Umeå under sommarhalvåret 2005. Månad Solinstrålning Verkningsgrad [W/m 2 ] Maj 195,21 0,6 Jun 206,82 0,6 Jul 232,79 0,6 Aug 140,43 0,6 Sep 105,4 0,6 Eftersom solinstrålningen under vinterhalvåret är så liten är det inte särskilt lönsamt med solvärme vintertid. Programmet begränsades så att det endast kommer att använda solfångarna sommartid. Vidare utformades programmet så att det visar hur många m 2 solfångare som ska byggas. Vid användning av bergvärme har priser på bergvärmepumpar tagits fram som en linjärisering av priser vid olika effekter. Se figur 2. Till detta pris tillkommer en borrningskostnad. Värmepumpspriser Bergvärme 70000 60000 y = 1,6314x + 34325 50000 Kostnad [kr] 40000 30000 20000 10000 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Effekt [W] Figur 2. Linjärisering av priser på bergvärmepumpar. 3 TFE - Umeå Universitet 4 Aquasol AB 6

För bergvärmepumpen har ett COP värde på 5,03 antagits. 5 Med detta värde kan man beräkna bergvärmepumpens elförbrukning. Denna elförbrukning har lagts till husets totala elförbrukning. Husets antogs ha fjärrvärme installerat från början. Priserna på fjärrvärme är anpassade till husets placering Umeå. 6 Förutom en kostnad per kilowattimme tillkommer en fast årskostnad. Ett annat alternativ för att värma upp huset är att elda i en pelletspanna. För pelletspannan finns både en investeringskostnad 7 och sedan en bränslekostnad på pellets 8. För att lagra värme från solsystemet och pelletspannan används en ackumulatortank. Storleken på denna beräknas i programmet genom en linjärisering av olika tankvolymers priser 9, vilket kan ses i figur 3. Den optimala storleken på tanken räknas också ut av programmet. Ackumulatortank 40000 35000 y = 31422x + 3969,7 30000 Kostnad [kr] 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Volym [m^3] Figur 3. Linjärisering av priser på ackumulatortankar. Investeringskostnaderna för de olika anläggningarna är uppdelad på flera år. En annuitet på 10 % valdes och detta medför att återbetalningstiden blir ungefär 15 år. I detta är en ränta på 5 % inräknad. 5 VVS Butiken 6 Umeå Energi 7 Euronom AB 8 Bionordic Pelletsbrännare AB 9 Nibe Villavärme 7

Resultat Det visade sig att det mest kostnadseffektiva förslaget är att köra vindkraft och komplettera med direktverkande el när inte vindkraften räcker till för att tillgodose villans elbehov. Hur elbehovet under året tillgodoses kan ses i figur 4. Det vindkraftverk som används för elproduktion ska ha en effekt på ungefär 2,3 kw. Elproduktion 600000 500000 400000 Energi [Wh] 300000 200000 100000 Vindkraft Direktverkande el 0 0 2 4 6 8 10 12 14-100000 Månader Figur 4. Elproduktion under året. Det mest kostnadseffektiva sättet att värma upp villan är att installera en pelletspanna. Denna kommer sedan att stå för hela värmebehovet under året. Värmeproduktionen under året kan ses i figur 5. I detta fall behövs en ackumulatortank på 387 liter. Värmeproduktion 2500000 2000000 Energi [Wh] 1500000 1000000 500000 Solvärme Bergvärme Fjärrvärme Pelletspanna 0 0 5 10 15 Månader Figur 5. Värmeproduktion under året. 8

Med kombinationen ovan fås den lägsta årskostnaden för villans el och värme. Årskostnaden är i detta fall 12 488 kronor. I grundfallet när huset har direktverkande el och fjärrvärme blir årskostnaden 13 585 kronor. Detta leder till att genom att installera en pelletspanna och ett vindkraftverk kan årskostnaden minska med 1 097 kronor. Kostnaden för el i grundfallet är 4 119 kronor per år och med vindkraftsinstallation kommer denna kostnad att bli 3 170 kronor. Detta leder till en besparing på 949 kronor per år. Besparingen per år på värmesidan blir inte lika stor som på elsidan. Uppvärmningskostnaden minskar med 149 kronor per år. 9

Slutsatser och diskussion Simuleringarna visar att det är lönsamt att installera ett vindkraftverk för elproduktion. Men hur lönsamt det är blir svårare att förutsäga. De vinddata som har använts i beräkningarna kanske är lite missvisande för just placeringen av denna villa. Väljer man sedan att installera vindkraft kan detta också göras ur andra aspekter är kostnadseffektivisering. Vindkraft är en miljövänlig och förnyelsebar energikälla och genom att installera vindkraft visar man att man tänker miljövänligt och framåt i tiden. Ett vindkraftverk kan ge upphov till en del icke önskvärt buller, skuggor och reflexer som kan påverka eventuella grannar. Sådant måste alltid tas i beaktning när man funderar på vindkraftsutbyggnad. Man måste också ha en tillräckligt stor tomt så att verket får plats. Att byta uppvärmningssystem från fjärrvärme till pelletspanna ger bara en marginell sänkning av årskostnaden. En osäkerhet i denna beräkning är priset på pellets. Skulle priset höjas med 2 öre/kwh, vilket motsvarar 6 %, skulle detta alternativ inte längre vara billigast. Då går systemet tillbaka till fjärrvärme. Kostnaden för installation av solvärmesystem är ganska hög. För att det ska vara lönsamt måste denna kostnad per m 2 halveras. Därför är det inte lönsamt att installera solvärme i en villa i Umeå. Solinstrålningen är dessutom låg på dessa breddgrader och under vinterhalvåret ger solvärmen i princip ingenting. Att installera bergvärme visar sig medföra en ökande energikostnad. Bergvärmepumpen kommer att dra en del el som läggs på elförbrukningen. Återbetalningstiden på 15 år visar sig vara liten för detta system. För att bergvärme ska vara lönsamt måste pelletspriset stiga till 51 öre/kwh, vilket motsvarar en höjning på 46 % samtidigt måste fjärrvärmepriset stiga till 71 öre/kwh vilket motsvarar en höjning på 30 %. När bergvärme används kommer totalkostnaden för energiförbrukningen att stiga med ungefär 2 200 kronor per år. Något som blir lite missvisande i simuleringen är dimensioneringen av ackumulatortanken. De värden som används är månadsbaserade. För att få en bra bild av hur ackumulatortanken körs är det bättre att ha data baserat på timmar. Simuleringarna är utförda med antagandena att den aktuella räntan är 5 % och att återbetalningstiden är 15 år. Skulle återbetalningstiden sänkas skulle resultatet förmodligen förändras. 10

Källförteckning Artuniverse AB, 2007-05-07 http://www.blocket.se/vi/11916500.htm?ca=1_9_s Umeå Energi, 2007-05-07 http://www.umeaenergi.se/ Institutionen för tillämpad fysik och elektronik, 2007-05-07 http://www.tfe.umu.se/weather/1280/1024/12/sv-se/now.html Aquasol AB, 2007-05-07 http://www.aquasol.se/ VVS Butiken, 2007-05-07 http://www.vvs-butiken.nu/varmep.htm Euronom AB, 2007-05-07 http://www.euronom.se/filer/euronom_prislista0702.pdf Bionordic Pelletsbrännare AB, 2007-05-07 http://www.bionordic.se/produkt_om.html Nibe Villavärme, 2007-05-07 http://www.nibe.se/fastighetsprodukter/ackumulatorer/produktsortiment/eks/ 11