Energieffektivisering av frånluftsystemet på Skandiahuset

AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ Avdelningen för bygg-, energi- och miljöteknik Energieffektivisering av frånluftsystemet på Skandiahuset Semir Mehmedović 2015 Examensarbete,Grundnivå (högskoleexamen), 15 hp Energisystem Energisystemingenjör Handledare: Taghi Karimipanah, Roland Forsberg Examinator: Shahnaz Amiri

2

Förord Det här är ett examensarbete som har genomförts som en avlutande del av Energisystemingenjörsprogrammet, 180 hp. Arbetet i sig har en omfattning på 15 hp och har utförts under vårterminen 2015 på Högskolan i Gävle. Eftersom energiteknik varit en del av utbildningen valde jag att göra ett examensarbete inom det området. Jag vill först och främst tacka min handledare Roland Forsberg som har varit till stor hjälp under arbetets gång med sin stora kunskap inom energiteknik. Jag vill även tacka Frida Johansson och Hans-Olov Ljung på Diös som har tillhandhållit mig viktig information om Skandiahuset, där projektet utförts. Dessutom vill jag också rikta ett stort tack till tillverkare och leverantörer av värmeåtervinningsbatterier och värmepumpar som varit tillmötesgående och försett mig med teknisk data och ekonomiska specifikationer. Semir Mehmedović Tierp 2015-05-28 3

Sammanfattning Att stor energibesparingspotential finns inom bostadssektorn råder det ingen tvekan om då den numera står för ungefär en fjärdedel av den totala energianvändningen i Sverige. Dessutom finns det i dagsläget många byggnader som inte har värmeåtervinning i ventilationssystemet, vilket dock kan vara en energieffektivering som kan ge stora besparingar på den totala energianvändningen för hela sektorn. Syftet med denna rapport är att undersöka lönsamheten för installation av frånluftsvärmepump och värmeåtervinningsbatterier som ansluts till en värmepump på Skandiahuset i Gävle. Sedan också fastställa vilken installation som ger störst lönsamhet. Eftersom byggnaden har ett styrt frånluftssystem undersöks dessa två typer av energieffektiviseringar genom att en värmeåtervinning sker på den varma frånluften som lämnar byggnaden. För att kunna genomföra en lönsamhetskalkyl för dessa effektiviseringar krävs det att temperaturen och flödet på frånluften ska vara kända men även information om byggnaden, såsom dess värmebehov och uppdelningen av frånluftsflödet till fläktarna. Utöver det en litteraturgranskning för att få en god kunskap inom området och för att kunna utföra beräkningarna som krävs. Genom att veta allt detta, tillsammans med installationernas tekniska data, framförallt värmefakor för värmepumparna och verkningsgrad för värmebatterierna kan en beräkning göras på maximal värmeavgivning för vardera installation. Att ha kunskap om mängden värmeenergi som vardera installation kan leverera, anpassat till husets värmebehov kan en lönsamhetskalkyl genomföras med nuvärdesmetoden och effektiviseringen som ger störst lönsamhet bestämmas. Vid beräkning av lönsamheten har medelvärdespriser på fjärrvärme och el använts. Dessutom jämförs installationerna i både nuvärdessumma, det vill säga maximala beloppet investeringen får kosta för att vara lönsam och i nettonuvärde. Frånluftsvärmepumpen ger en total årlig energiavgivning på 263 MWh och står då för ungefär 40 procent av hela värmebehovet. Installationen av värmebatterier kopplade till en värmepump ger en årlig värmeavgivning på 429 MWh, cirka 60 procent av flerbostadshusets totala värmebehov. Nuvärdessumman för frånluftsvärmepumpinstallationen uppgår till 1 123 000 kronor och för den andra installationen till 1 957 000 kronor. Nettonuvärdet fås till 758 000 kronor respektive 1 575 600 kronor. Vid jämförelse mellan dessa två energieffektiviseringar per levererad MWh blir både nuvärdessumman och nettonuvärdet större för värmebatteriinstallationen tillsammans med värmepump. Slutsatsen som kan dras efter denna undersökning är att värmeåtervinningsbatterier tillsammans med en vätska/vattenvärmepump bör installeras framför frånluftsvärmepumpen då både nuvärdessumman och nettonuvärdet per levererad MWh blir högre. Därtill ger installationen av värmebatterier kopplade till värmepump en betydligt större mängd värmeenergi än vad frånluftsvärmepumpen avger. Dock ska inte en installation av en frånluftsvärmepump uteslutas eftersom den också ger ett stort överbetalningsöverskott och har ett högt positivt nettonuvärde. 4

Abstract There are no doubt about that the energy savings potential in the housing sector is large because it nowadays accounts for about a quarter of the total energy consumption in Sweden. In addition, in the current situation many buildings do not have heat recovery on the ventilation system, which, however can be an energy efficiency that can provide significant savings on the total energy consumption of the whole sector. The purpose of this thesis is to examine the profitability for the installation of an exhaust air heat pump and heat recovery batteries that are connected to a heat pump at Skandiahuset in Gävle. Then also to determine which one of the two installations provides the highest profitability. Because the building has a controlled exhaust system the investigation occurs on these two types of energy efficiencies in the way that the heat recovery occurs on the warm air which leaves the building. To accomplish a profitability analysis on these two types of efficiencies it requires that the temperature and the flow of the exhaust air have to be known but information about the building as well, so as the total heat demand for Skandiahuset and the division of the exhaust air flow to the fans. By knowing all of this, along with the technical data for the installations, mainly the overall coefficient of performance (COP) and the efficiency for heat recovery batteries, a calculation can be made for the highest heat output from the two installations. To have a knowledge about the amount of heat energy each installation can deliver, a calculation for the profitability can be made by the present value method and installation that provides the highest profitability determined. When calculating this, the average prices of district heating and electricity have been used. Moreover, the installations are compered both in present value amount, which is the maximum amount an investment can cost to be profitable and in net present value. The exhaust air heat pump total annual energy output of 263 MWh, which is about 40 percent of the total heat demand for the building. Installation of heat recovery batteries connected to a heat pump gives an annual heat output of 429 MWh, about 60 percent of the entire heat demand. The present value amount for the exhaust air heat pump amounts to 1 123 000 Swedish crowns and for the other installation to 1 957 000 Swedish crowns. Net present value is obtained to 758 000 crowns and 1 575 600 crowns. In the comparison between these two types of energy efficiencies per delivered MWh both the present value amount and the net present value are higher for the installation of heat recovery batteries connected to a heat pump. The conclusion to be made from this study is that the heat recovery batteries with a liquid/water heat pump should be installed in front of the exhaust air heat pump since both present value amount and net present value per delivered MWh are higher. Furthermore, the installation of batteries together with a heat pump has a significantly larger heat energy output than the exhaust air heat pump. However, the installation of exhaust air heat pump should not be ruled out since it also provides a large overpayment surplus and has a high positive net present value. 5

Symbollista h = entalpi [kj/kg] Wk = tillförd effekt till kompressor [kr] COP = värmefaktor N = nettonuvärde [kr] RF = relativa fuktigheten [%] SCOP = årsmedelvärmefaktor P = effekt [W] Q = värmeenergi [Wh] P = effekt [kw] qv = luftflödet [m 3 /s] Cpluft = specifika värmekapaciteten för luft [kj/(m 3 K)] ρ = densitet för luft [kg/m 3 ] ΔT = temperaturdifferensen för luft [ C] (kan vara i Kelvin) 6

Innehållsförteckning 1. Inledning... 9 1.1 Bakgrund... 9 1.2 Syfte... 11 1.3 Problemställning... 11 1.4 Avgränsningar... 11 2. Teori... 13 2.1 Värmepumpens funktion och huvudkomponenter... 13 2.1.1 Förångare... 15 2.1.2 Kompressor... 16 2.1.3 Kondensor... 17 2.1.4 Strypventil... 18 2.2 Olika typer av värmepumpar... 19 2.3 Frånluftsvärmepump... 20 2.4 Värmeåtervinningsbatteri... 21 2.4.1 Nålrörsvärmeväxlare... 22 2.5 Ackumulatortank... 23 2.6 Nuvärdesmetoden... 23 3. Beskrivning av byggnaden... 25 4. Metod... 27 4.1 Informationssökning och litteraturstudie... 27 4.2 Beräkningar... 27 4.2.1 Frånluftsvärmepump... 27 4.2.2 Värmeåtervinningsbatteri med värmepump... 28 4.2.3 Lönsamhetskalkyl... 28 5. Resultat... 31 5.1 Frånluftsvärmepumpinstallation... 31 5.2 Värmeåtervinningsbatterier kopplade till en värmepump... 35 5.2.1 Beräkning av varmvattenbehovet... 35 5.2.2 Beräkning av maximal energiavgivning vid installation... 35 5.3 Lönsamhetskalkyl... 38 5.3.1 Frånluftsvärmepump... 38 5.3.2 Värmepump med värmebatterier... 39 5.3.3 Jämförelse mellan installationerna..39 6. Diskussion... 41 6.1 Resultat... 41 6.2 Vidare studier... 42 7. Slutsatser... 43 8. Litteraturförteckning... 45 8. Bilagor... 49 8.1 Bilaga 1... 49 8.2 Bilaga 2... 50 8.3 Bilaga 3... 51 7

8.4 Bilaga 4... 52 8.5 Bilaga 5... 53 8

1. Inledning 1.1 Bakgrund Redan 1834 tog engelsmannen Jacob Perkins patent på en process för att kyla eller frysa vätskor som än idag används som kompressorkylarprocess hos värmepumpar. 16 år efter Perkins patent utvecklade en annan engelsman vid namn William Thomas den första värmepumpen med hjälp av termodynamikens första och andra huvudsats [1]. Den första huvudsatsen bygger på att energi varken kan skapas eller förstöras och den andra huvudsatsen säger att det inte finns någon process där värme överförs från en kallare till en varmare kropp utan tillsatt mekaniskt arbete [2]. Thomas förklarade att värmeenergi kunde utnyttjas vid omgivningens temperatur och med hjälp av tillförd energi skulle det gå att värma exempelvis en byggnad med temperaturnivåerna som utvecklades av den totala energin för hela processen [2]. Men det var inte förrän vid 1970-talet som värmepumpen slog igenom på allvar i Sverige i samband med oljekrisen i världen. Intresset för värmepumpsbranschen växte stort som en konsekvens av oljekrisen i världen och att det redan fanns gott om elenergi att använda sig av eftersom vattenkraften i Sverige var relativt uppbyggd och kärnkraftverken var i uppbyggnadsfasen. Det fanns alltså stor potential för värmepumpen att växa vid denna tidpunkt. Svenska Kyl & Värmepumpsföreningen (SVEP) bildades 1980 för att arbeta för en systemutveckling av värmepumpen och en bredare marknadsföring [3]. I takt med att det utvecklades flera olika sätt för värmepumpen att utvinna energi ifrån såsom ifrån berg, vatten, luft och jord och på grund av dess höga värmefaktor blev den attraktiv på marknaden som uppvärmningskälla [1]. Sedan 1990 har olja som uppvärmning inom bostadssektorn minskat med 90 procent, samtidigt som värmepump har ökat markant sen dess [4]. Idag värms i stort sett vartannat småbostadshus av en värmepump enligt energimyndigheten [5]. Detta visar att värmepumpmarknaden är väl utbredd i småbostadshusen, däremot förekommer inte värmepumpen lika ofta i flerbostadshusen då fjärrvärmen är dominerande för flerbostadshusen enligt figur 1, där värmepumpen räknas som elvärme. Mer exakt satt 96 procent av alla installerade värmepumpar i Sverige i småhus år 2013. Eftersom den har en hög användning bland småhusen återfinns en stor potential för värmepumpen att växa i flerbostadshusmarknaden. Men detta under förutsättning att framförallt de ekonomiska aspekterna ska vara goda för installation av värmepump i flerbostadshus. Det är just det som detta projekt kommer att behandla att undersöka lönsamheten för frånluftsvärmepump i ett flerbostadshus och installation av värmeåtervinningsbatterier tillsammans med en värmepump. 9

Figur 1. Uppvärmning i flerbostadshus, lokaler och småhus, 2000-2013, TWh Enligt energimyndigheten stod bostadssektorn för 144 TWh av den totala slutliga energianvändningen (alltså utan förluster) 379 TWh, år 2011 i Sverige, ungefär 38 procent [6]. På grund av att bostäderna använder en så stor del av den totala energianvändningen finns det stora energibesparingsmöjligheter. Att återvinna den varma inomhusluften som lämnar byggnaden via en frånluftvärmepump kan vara en energieffektivisering som ger energibesparingar i större omfattning och leder till en mindre total energianvändning för bostadssektorn. Att installera värmeåtervinningsbatterier som värmer upp vattnet vilket är anslutet till värmepumpen med hjälp av den varma inomhusluften kan också vara en energieffektivisering som ger stora besparingsmöjligheter. Mer generellt finns det tre sätt att åstadkomma en energieffektivisering: energieffektiv teknik, energieffektivt beteende, byte av energibärare[7]. Den metoden som används i detta projekt är energieffektiv teknik, alltså installation av frånluftvärmepump och batterier med en värmepump. 10

1.2 Syfte Att genomföra en energieffektivisering av något slag är det centrala med detta examensarbete. Men mer ingående är huvudsakliga syftet att undersöka lönsamheten för två olika typer av värmepumpinstallationer i ett flerbostadshus i centrala Gävle, ägt av fastighetsbolaget Diös. Den ena undersökningen bygger på en frånluftsvärmepumpinstallation och den andra en installation av värmebatterier till frånluftskanalerna som i sin tur är anslutna till en värmepump. Att värmepumpar sparar energi råder det inga tvivel om, men genom detta examensarbete också få en klarare bild över hur mycket energi som kan sparas i förhållande till dess kostnader med dessa två typer av uppvärmningssätt. Med hjälp av denna undersökning är målet att komma fram till slutsatsen om båda installationerna är lönsamma och i sådana fall vilken som är mest lönsam. 1.3 Problemställning Är det lönsamt att genomföra en installation av frånluftsvärmepump i Skandiahuset i Gävle som redan har fjärrvärme som uppvärmningskälla? Är en värmepumpinstallation tillsammans med värmebatterier en lönsam investering? Vilken av dessa installationer är mest lönsam? 1.4 Avgränsningar De tidsmässiga avgränsningarna för detta examensarbete är samma som livslängden för installationerna, alltså 15 år. Antagande har gjorts att värmebatterierna har en verkningsgrad på 50 procent och värmepumpen en värmefaktor på tre. Dessutom har det inte undersökts om extra fläktarbete behövs då inga mätningar genomförts på friktionsförlusterna i frånluftskanalerna för att det förmodats att befintliga fläktar har tillräcklig effekt. Vid beräkning av nuvärdet har det antagits att kalkylräntan är fyra procent. 11

12

2. Teori 2.1 Värmepumpens funktion och huvudkomponenter Alvarez hävdar att för att kunna förstå hur en värmepump fungerar så är det viktigt att förstå hur de fyra olika huvudkomponenterna i en värmepump fungerar och vad deras uppgift är [8]. Värmepumpen arbetar i ett slutet system där en förångare, kompressor, kondensor och strypventil är huvudkomponenterna som driver processen. Målet med värmepump är att den transporterar värmeenergi från ett kallt medium till ett varmt genom att de angivna komponenterna utnyttjas i den slutna cykeln. Första steget i processen är när köldmediet i systemet, som ska ha en låg förångningstemperatur hämtar energi från omgivningen exempelvis berggrunden (bergvärmepump) och förångas av förångaren. Därefter höjs trycket i köldmediet av kompressorn, vilket leder till att dess temperatur och energiinnehåll ökar och får en så hög temperatur att värmeenergin kan avges och utnyttjas av husets värmesystem via kondensorns värmeväxlare som överför värmen från värmepumpens system till husets värmesystem. När detta sker kondenserar köldmediet. Sedan sänks trycket och temperaturen genom strypventilen som finns i kretsen, och köldmediet når förångaren igen. Detta illustreras av figur 2. Figur 2. Uppbyggnaden av en värmepump. Vidare poängterar Alvarez att värmepumpens process även kan förklaras med ett tryck och entalpi diagram [8]. Diagrammet har tryck på y-axeln och entalpi på x-axeln, detta visas mer förklarligt i figur 3 där siffrorna i figur 2 motsvarar samma funktion i figur 3. Entalpi som är ett termodynamiskt begrepp och en tillståndsstorhet som används mellan olika energiinnehåll i ett ämne är den termiska och kemiska energin som finns i ett ämne, utöver det mäts entalpi i kj/kg [8]. Men för att förstå alla delmoment i värmepumpsprocessen förklaras de mer detaljerat och tydligare under respektive rubrik för värmepumpens huvudkomponenter. 13

Figur 3. Tryck -och entalpi diagram för en värmepump 14

2.1.1 Förångare Förångaren är som ovan nämnt en huvudkomponent i värmepumpcykeln och fungerar likt kondensorn som en form av värmeväxlare. Skillnaden är att förångaren upptar värme från omgivningen, alltså en värmekälla som till exempel från berg, grundvatten, omgivande luft etc. istället för att avge värme till husets värmesystem [8]. Beroende på värmepumpar kan COP variera med vilken värmekälla som används. I luftvärmepumpar är COP oftast lägre än för exempelvis bergvärmepumpar eftersom det förekommer större temperaturskillnader från dess värmekälla under året än för bergvärmepumpar, mer tydligt beror temperaturskillnader för luftvärmepumpar på att utomhustemperaturen under året är så pass varierande vilket påverkar luftvärmepumpens värmefakor (COP) [8]. Det första steget i värmepumpkretsen som betecknas med siffran 1 i figur 4 är när köldmediet kokar vid förångningstemperaturen i förångaren efter upptagande av värmeenergin från värmekällan. Köldmediet ändrar form från ånga till gas under förångningen. Som det går att se i figur 4 ökar entalpin under detta steg vilket beror på värmeenergin som tillförs från värmekällan. Dessutom sker förångningen under ett konstant tryck och en konstant temperatur [8]. Figur 4. Förångarsteget i värmepumpcykeln 15

2.1.2 Kompressor Kompressorns huvudsakliga uppgift är att höja trycket hos en gas [9]. Dessutom står den för transporten av köldmediets massflöde runt den slutna kretsen och bibehåller ett högt tryck i kondensorn för att kondensationen ska ske vid en högre temperatur än förångningstemperaturen, det vill säga att vattnet i värmesystemet får en högre temperatur på grund av det höga trycket i kondensorn [8]. Men för att kompressorn ska kunna arbeta krävs det någon form av energi som tillsätts till den, oftast brukar det vara elenergi som driver kompressorn, detta illustreras i figur 2 och 3 som Wk. Det finns flertalet olika typer av kompressorer men dessa kan vanligtvis delas in i två grupper: deplacement och turbokompressorer. Skillnaden mellan grupperna är markant då tryckökningen sker på olika sätt. Deplacementkompressor genomför en tryckökning av gasen genom att minska volymen i det utrymmet där gasen är innesluten med hjälp av en typ av kolv [8]. Men i turbokompressor ökar gasens tryck på grund av centrifugalkrafter som uppstår i skovelhjulet eller så sker tryckökningen som en följd av att hastighetsenergi omvandlas till tryckenergi i skovelkanalerna. Dessa två typer av tryckökningar som uppstår i turbokompressorer kan också inträffa samtidigt, och inte endast var för sig. Dock konstaterar Svenska Kyl & Värmepumpföreningen att typen av kompressor är mindre relevant, det som är vitalt är att dimensioneringen av kompressorn är lämplig i förhållande till det arbete den ska utföra [3]. I den slutna värmepumpskretsen står kompressorn för ett delmoment då både temperatur och entalpi ökar hos köldmediet. I detta fall betecknas kompressorsteget med siffran 2 i figur 5. Eftersom trycket i köldmediet, som befinner sig i gasform ökar under detta steg ökar även temperaturen, vilket i sin tur leder till att energiinnehållet (entalpin) för köldmediet stiger [8]. Figur 5. Kompressorsteget i värmepumpcykeln 16

2.1.3 Kondensor Att ha en effektiv kondensor (värmeväxlare) i värmepumpen är mycket viktigt då den överför värme från värmepumpens cykel till uppvärmningssystemet. Är det en ineffektiv kondensor leder det till att kompressorn måste arbeta mer vilket i sin tur bidrar till att mer elektricitet ska tillföras till kompressorn. Detta ger upphov till att driften av värmepumpen blir dyrare, det vill säga det är betydelsefullt att kondensorn är effektiv och har en hög värmeöverföringsförmåga. Den tunna plattan mellan fluiderna ska ha en hög värmeöverföringskapacitet så att en stor mängd värmeenergi överförs mellan fluiderna. En av de vanligaste typerna och oftast mest effektiva värmeväxlarna är motflödesvärmeväxlaren då den i bästa fall kan ha en verkningsgrad på 90 procent [10]. Figur 6. Motflödesvärmeväxlare [11] Kondensationssteget i kretsprocessen börjar först med att köldmedieångans temperatur sjunker från (c) till (e) enligt figur 7 eftersom den ånga som lämnar kompressorn är i överhettat tillstånd. En förutsättning för att kondensationen ska ske är att den överhettade ångans temperatur måste sjunka till kondenseringstemperaturen (punkt e, figur 7) som är högre än förångningstemperaturen. När temperaturen sjunkit till kondenseringstempraturen fullbordas kondensationen från (e) till (d) och köldmediet befinner sig då vid (d) i vätskefas. Hela kondensationen försiggår under konstant tryck och den bortförda värmemängden till husets uppvärmningssystem kan läsas av i figur 7. [5] Figur 7. Kondensationssteget i värmepumpcykeln 17

2.1.4 Strypventil Strypventilen uppfyller även den som en huvudkomponent en viktig funktion i cykeln. Dess främsta uppgift är att reglera massflödet i kretsen och upprätthålla en tryckdifferens mellan kondensorn och förångaren enligt Alvarez [8]. Att upprätthålla en tryckdifferens mellan kondensorn och förångaren är betydelsefullt för hela värmepumpens funktion då den ger kompressorn möjligheten att öka trycket i cykeln. Genom att reglera massflödet till förångaren har strypventilen en viktig roll i kretsprocessen, det vill säga om förångaren förses med ett för stort flöde kan köldmedievätskan från kondensorn även följa med till kompressorn vilket kan få kompressorn att haverera. Men om strypventilen inte släpper igenom tillräckligt mycket vätska till förångaren kan det påverka förångarens förmåga att ta upp värme från omgivningen vilket leder till att värmepumpen får ett lägre COP 1 [12]. Vid val av strypventil är det viktigt att en lämplig storlek används för att den ska kunna klara av olika massflöden vid höga och låga tryck. Som figur 8 visar är strypventilens funktion unik i värmepumpprocessen då det är det enda steget där entalpin förblir konstant. Det som inträffar i detta sista delmoment är att det uppstår en tryckdifferens när köldmediet ska passera strypventilen och köldmediet övergår från vätskeform till ångform. Anledningen till att köldmediet ändrar form är att det uppstår en temperatur- och förångningstemperaturminskning som en följd av tryckdifferensen [8]. Figur 8. Strypsteget i värmepumpcykeln 1 COP = qbortförd/wk (är temperaturberoende) [8]. 18

2.2 Olika typer av värmepumpar Idag finns det olika typer av värmepumpar på marknaden, skillnaden mellan dem är hur upptagningen och avgivningen av värme går till. Det går att dela in alla typer i fyra grupper, vilka är luft/luftvärmepumpar, luft/vattenvärmepumpar, vätska/vattenvärmepumpar och vätska/luftvärmepumpar [13]. Luft/luftvärmepumpen hämtar energi från utomhusluften genom att den får passera ett batteri som är förångare och avger sin värme via kondensorn i form av luft till huset. Både förångaren och kondensorn är konstruerade på samma sätt vilket gör att värmepumpen kan fungera reversibelt, det vill säga att den kan användas som värme och kylmaskin [14]. Då denna kategori av värmepumpar avger sin energi i form av luft betyder det att de inte är anslutna till ett vattenburet uppvärmningssystem. Luft/vattenvärmepumpen tar upp sin värmeenergi från utomhusluften eller frånluften genom förångaren som fungerar som ett batteri, likt luft/luftvärmepumpen. Men skillnaden är att värmeavgivningen sker via ett vattenburet system, antingen via värmesystemet och/eller tappvarmvattensystemet [14]. Då värmeenergin antingen tas upp ifrån utomhusluften eller frånluften finns det två huvudtyper, frånluftsbaserade och utomhusluftbaserade luft/vattenvärmepumpar. Vätska/vattenvärmepumpen besår av olika varianter beroende på vilken värmekälla som värmepumpen använder [14]. De värmekällor värmen kan upptas ifrån kan exempelvis vara berg (bergvärme), sjö (sjövärme) och mark (jordvärme). Denna typ av värmepump avger värmen genom kondensorn till ett vattenburet värmesystem i en byggnad. Vätska/luftvärmepumpen används främst inom industri där luftburen värme är mer fördelaktig. Dess princip bygger på att energin hämtas från till exempel mark och sjö, likt vätska/vattenvärmpumpen men att kondensorn fungerar som ett luftbatteri som överför värme via en byggnads luftkanaler [13]. 19

2.3 Frånluftsvärmepump I takt med att luft/luftvärmepumpar har ökat drastiskt i sålda enheter av värmepumpar sedan 2000-talet så har frånluftsvärmepumpar varit mindre attraktiva och minskat i försäljningen under samma period [4]. Detta visar också statistiken som energimyndigheten tagit fram, att sett till bostadsarean som frånluftsvärmepumpar värmer upp i flerbostadshus uppgår den till endast 2 procent [4]. Dess funktion bygger på att inomhusluften används som värmekälla till skillnad från övriga luftvärmepumpar som använder utomhusluften som sin värmekälla. Eftersom inomhusluften används som tillförd värme från omgivning till frånluftvärmepumpen skriver Fracastoro och Serraino i sin artikel att den får en jämnare COP faktor då inomhusluftens temperatur är relativt konstant året runt i en byggnad jämfört med andra luftvärmepumpar där utomhusluftens temperatur är mycket mer varierande under året [15]. Dessutom förklarar detta att frånluftsvärmepumpar är mest brukade i norra Europa i länder som exempelvis Sverige och Tyskland på grund av det kallare klimatet, det vill säga att det blir mer lönsamt att använda inomhusluften som värmekälla än utomhusluften jämförelsevis med länder med varmare klimat där utomhusluften inte skiljer lika mycket från inomhusluften [15]. För att en installation av en frånluftsvärmepump ska vara möjlig krävs det först och främst att byggnaden har ett mekaniskt fläktventilationssystem med frånluftskanaler. Därtill ska värmesystemet vara vattenburet eftersom värmepumpen ska kunna anslutas till det. Den kan både anslutas till värmesystemet och tappvarmvattnet eller bara en av dessa, detta väljs av kunden [16]. Enligt Energi & klimatrådgivningen är frånluftsvärmepumpens nackdel att den är begränsad till frånluftsflödet som byggnaden ventileras med, alltså att den kan endast hämta sin energi från inomhusluften som lämnar huset. Däremot är det vanligt med dessa typer av värmepumpar i nybyggda hus sedan 80-talet då dessa hus oftast är välisolerade och kräver ett välfungerande ventilationssystem. I äldre hus med exempelvis självdragsventilation kan inte en frånluftsvärmepump installeras eftersom det som ovan nämnt inte har ett styrt frånluftsystem, då måste ventilationskanalerna installeras för att göra installationen av en frånluftsvärmepump möjlig [17]. Installationskostnaderna av värmepumpen blir betydligt lägre när den anskaffas vid nybyggnation jämfört med exempelvis en bergvärmepump [17]. En annan viktig aspekt som vid installation av frånluftsvärmepumpar är värd att ha med i beräkningarna är dess livslängd som vanligtvis är ungefär 15 år, men i vissa fall kan de hålla längre än så [18]. Det finns många olika varianter av frånluftsvärmepumpar men de kan delas in i två huvudgrupper som är med varvtalstyrda kompressorer eller med på/av kompressorer [16]. Tester som energimyndigheten har genomfört har visat att de nya frånluftsvärmepumparna med varvtalsreglerad kompressor är effektivare på större hus med högre energibehov då de har en högre effekt till skillnad från de traditionella med på/av kompressor [18]. Värmepumpar med traditionella på och av kompressorer lämpar sig bäst till mindre hus med lågt energibehov på grund av dess låga effekt. Denna typ av frånluftsvärmepump kan spara upp till 50 procent mer energi jämfört med ett hus med endast direktverkande el som uppvärmning [18]. Frånluftsvärmepumpar med varvtalsstyrd kompressor är mest effektiv vid låga varvtal på kompressor, detta gäller främst om huset har golvvärme som distributionssystem, skillnaden blir inte lika stor om huset har radiatorer istället för golvvärme [18]. Nya frånluftsvärmepumpar kan även dra nytta av ett extra värmetillskott genom att fukten i frånluften kondenseras vilket ger märkbart mer energi än äldre frånluftsvärmepumpar. Jämfört med gamla som sänker temperaturen från 20 C till 5 C 20

så sänker nya pumpar temperaturen från 20 C till -15 C med hjälp av kondenseringen [17]. Vid dimensionering av frånluftsvärmepump används frånluftsflödet i ventilationskanalerna som referens och inte husets värmebehov eftersom frånluften som används som värmekälla till värmepumpen är en begränsad mängd energi som inte räcker till för husets totala värmebehov [17]. På grund av det fungerar frånluftsvärmepumpen som ett komplement till en annan typ av uppvärmningssystem och i sin tur avlastar det. 2.4 Värmeåtervinningsbatteri Ett värmeåtervinningsbatteri är en typ av värmeväxlare som överför värme mellan två medier. Systemet är uppbyggt med både rör för vätska och kanaler för luft så att värme överförs på ett smidigt och effektivt sätt mellan medierna [8]. Värmebatterier är mer förekommande i större byggnader där det finns ett stort värmebehov och ventilationsbehov, vilket medför att värmeenergin i frånluften kan utnyttjas och därmed användas till en värmepump eller att överföra värme från frånluft till tilluft. Genom att överföra värme mellan frånluft och tilluft krävs det mindre energi för att värma upp en byggnad. Hur värme återvinns och överförs mellan till och frånluft visas i figur 9. Figur 9. System med värmeåtervinning mellan till och frånluft med värmebatterier Men det system som används i detta projekt är att ett värmeåtervinningsbatteri hämtar energi från frånluften som i sin tur används till en värmepump. Detta genom att ett batteri placeras i frånluftssystemet och överför värmeenergin från den varma frånluften till vätskesystemet som är kopplat till värmepumpens förångare, vilket även visas i figur 10. Vid installation av värmeåtervinningsbatterier och värmepump i Skandiahuset ska batterierna inmonteras i nära anslutning till respektive fläkt som arbetar med det givna flödet. Därifrån ska värmepumpen som ska stå i byggnadens undercentral kopplas samman med värmebatterierna med hjälp av värmerör. 21

Figur 10. Värmebatteri anslutet till en värmepump 2.4.1 Nålrörsvärmeväxlare Ett av få batterier där värmeöverföringsförmågan inte påverkas om luften som batteriet behandlar är smutsig är Retermias nålrörsbatteri. Luften kan då innehålla fetter från kök och fuktig luft från badrum utan att batteriets effektivitet försämras [19]. På grund av detta behövs det inget filter för att filtrera bort den smutsiga frånluften då nålrörsbatteriet har en förmåga att självmant göra det. Genom att inget filter behövs undviks tryckförluster som uppstår i samband med filter [19]. Till skillnad från traditionella värmebatterier har även nålrörsvärmeväxlare ett lägre tryckfall över sig som gör att mindre fläktarbete behövs för att kompensera för tryckfall i systemet. I figur 10 går det att se hur konstruktionen för detta batteri ser ut och hur det arbetar. Figur 11. Retermias nålrörsbatteri [17] Som figur 11 visar leds frånluften in i batteriet (1) och därefter genom det via slingan (2). Vid punkt 3 sker värmeväxlingen mellan luften och vätskan i nålrören och efter det lämnar frånluften som just avgivit sin värmeenergi som avluft i punkt 4. Den vätskan som värmts upp av frånluften går vidare till värmepumpen(5) via en slinga där den avger sin värme till förångaren och sedan leds tillbaka till nålrörsbatteriet. Batteriet arbetar i en sluten krets. 22

2.5 Ackumulatortank En ackumulatortank fungerar som en värmelagrare för att minska slitaget på uppvärmningskällan. Principen bygger på att tanken som är en isolerad vattenbehållare lagrar värmen när den produceras till när värmen behövs eftersom värmebehovet för en byggnad är varierande under året. Genom att kunna lagra värme och använda det vid behov fås en högre verkningsgrad på uppvärmningskällan samtidigt som elkostnaderna för exempelvis en värmepump minimeras [20]. Dessutom blir hela värmesystemet miljövänligare. Ackumulatortanken kan bara användas till ett vattenburet värmesystem eller som en varmvattenberedare [20]. 2.6 Nuvärdesmetoden Nuvärdesmetoden är en metod som används för att beräkna en investerings lönsamhet. Det är en metod som är frekvent förekommande hos företag vid fastställning av lönsamheten för en investering och är nära förknippad med annuitetsmetoden och payback metoden. Metoden bygger på att nettonuvärdet fås fram när kostnaderna och intäkterna under hela livslängden för en investering, exempelvis i detta fall en frånluftsvärmepump beräknas fram till dagens värde med en vald kalkylränta och sedan reduceras med grundinvesteringen [21]. Om nettonuvärdet blir positivt, det vill säga större än noll är investeringen lönsam. Förklaringen till det är att kalkylräntan innehåller ett avkastningskrav, om nettonuvärdet är positivt anger det vad investeringen genererar utöver avkastningskravet (kalkylräntan). När nettonuvärdet är lika med noll genererar investeringen en lönsamhet som precis svarar mot avkastningskravet [22]. Denna metod är bäst lämpad när lönsamheten mäts i pengar och fördelen är att den bygger på pengarnas tidsvärde. Dessutom ger den en bild över vad investeringen har för värde när beräkningen utförs [22]. Ekvationen för att beräkna nettonuvärdet är: N = -G + (B1*nu) + (B2*nu) + + (Bn*nu) Där N = nettonuvärdet G = grundinvesteringen B = inbetalningsöverskott nu = nuvärdet baserat på kalkylräntan och antalet år n = antalet år Nuvärdessumma = (B1*nu) + (B2*nu) + + (Bn*nu) 23

24

3. Beskrivning av byggnaden Byggnaden som ska undersökas återfinns i centrala Gävle och har en total yta på 6137 m 2, tillsammans med garaget och ägs av fastighetsbolaget Diös. Den består av både lägenheter och lokaler, såsom butiker och har ett källargarage. Dess totala värme och varmvattenbehov de senaste fyra åren uppgick till 696 MWh, se bilaga 1. Flerbostadshuset använder fjärrvärme som sin uppvärmningskälla och har ett frånluftsystem, vilket också är förutsättning vid installation av frånluftvärmepump. I byggnaden finns det 13 stycken lägenheter fördelade på fyra plan och har en bostadsarea på 1415 m 2. Lägenheterna tillsammans med källarutrymmen ventileras totalt med ett ventilationsflöde på 2590 l/s. Detta flöde är fördelat på tre olika fläktar i fastigheten, en fläkt arbetar med flödet 1230 l/s, den andra med 540 l/s och tredje med 820 l/s. Det är frånluften endast från lägenheterna och källarutrymmen som ska användas vid undersökningen av en möjlig installation av frånluftsvärmepump, det vill säga resterande delar av byggnadens frånluft utelämnas. Det är också frånluften som används vid granskningen av lönsamheten för värmebatterier tillsammans med en värmepump. 25

26

4. Metod 4.1 Informationssökning och litteraturstudie Genomförandet av detta projekt började först och främst med att den valda byggnaden där lönsamheten för två olika typer av värmepumpinstallationer ska undersökas inspekterades, framförallt fläktrummen och undercentralen. På det viset bekantades byggnaden. Därefter började en stor sökning efter relevant litteratur för det valda ämnet och en litteraturgranskning av påträffad litteratur. Databaser som Sciencedirect och Discovery användes för att hitta vetenskapliga artiklar rörande området frånluftsvärmepumpar, värmepumpar och värmebatterier. När de vetenskapliga artiklarna hittades användes sökord som heat pump, compressor in heat pump, exhaust air heat pump och heat recovery battery. Annan relevant litteratur som undersöktes och som användes i denna uppsats hittades på bland annat statliga hemsidor och i läroböcker. Vid sökningen efter litteratur och granskningen av den, fick man en bra insikt och information över hur en värmepump fungerar, hur den är uppbyggd, dess funktioner etc. och i synnerhet vad som skiljer en frånluftsvärmepump från en traditionell vattenvärmepump. Dessutom gjordes sökning efter effektiva värmeåtervinningsbatterier som kan användas i detta examensarbete. Information om byggnaden rörande bostadsarea, värmebehov, luftflödesprotokoll, effekt på fläktarna, uppvärmningssystem, vattenförbrukning och konstruktion i form av ritningar erhölls av fastighetsbolaget Diös, som äger byggnaden. Denna information var grundläggande för att kunna undersöka möjligheten av en frånslutsvärmepumpinstallation och värmebatteriinstallation tillsammans med en värmepump. 4.2 Beräkningar För att kunna utföra beräkningar på mängden energi som kan utvinnas i frånluften krävdes att luftflödet och dess temperatur i frånluftsystemet var känt till respektive fläktsystem. Dessa består av tre delar, det vill säga tre fläktar där olika flöden från byggnaden styrs av en specifik fläkt. De flöden som energin beräknas efter är från lägenheter och källarutrymmen. 4.2.1 Frånluftsvärmepump De flöden som en frånluftsvärmepumpinstallation undersöktes för är: 540 l/s lägenheter 820 l/s lägenheter och källarutrymmen 1230 l/s lägenheter och källarutrymmen Vid val av frånluftsvärmpump just för detta specifika fall på Skandiahuset i Gävle väljs en fastighetsvärmepump från företaget Comfortzone, vid namn CFZ 180 som är relativt ny på marknaden. Denna typ är lämpad till flerbostadshus med höga frånluftflöden likt detta fall då totalflödet uppgår till 2590 l/s fördelat på tre fläktar. Fastighetsvärmepumpens funktion bygger på att det är en så kallad modul på 18 kw som arbetar med flöden mellan 180 l/s och 280 l/s, men för att pumpen ska klara av än högre flöden kan modulerna på 18 kw kopplas samman parallellt och arbeta som en enhet [23]. Dessutom använder den sig av kondensation för att kunna utvinna mer energi från luften, det vill säga den kyler luften från den specifika temperaturen på frånluften till -15 C [23]. För att kunna räkna fram den mängd energi som kan utvinnas från luften används ett Mollierdiagrammet. Med hjälp av temperaturen och den relativa 27

luftfuktigheten på inomhusluften kan man läsa av i Mollierdiagrammet entalpiinnehållet för respektive temperatur på luften. Den relativa luftfuktigheten (RF) som är ett mått i procent på mängden vattenånga i luften vid en angiven temperatur i förhållande till den maximala mängden vattenånga vid samma temperatur. Relativa fuktigheten är också temperaturberoende då luftens förmåga att binda mer vattenånga ökar vid ökad temperatur [24]. På grund av att den relativa fuktigheten på vintern brukar vara cirka 35 % inomhus men annars ska den ligga inom spammet 40-60 % för att inomhusklimatet ska vara av god kvalité antas en medel relativ fuktighet vara 40 % vid beräkning av energi som kan utvinnas från luften [25]. 4.2.2 Värmeåtervinningsbatteri med värmepump Likt vid dimensionering av frånluftsvärmepump utfördes beräkningar på samma flöden och temperaturer för att få fram vilken mängd energi som kan sparas om värmebatterier installeras tillsammans med en värmepump. Typen av värmepump som batterierna ska anslutas till är en vätska/vattenvärmepump då den arbetar med ett vattenburet värmesystem. Först undersöktes möjligheten att denna installation ska stå för endast varmvattenbehovet under året. Då byggnaden endast har en mätare för uppvärmnings och varmvattenbehovet är dessa behov sammanslagna enligt figur 13. För att beräkna endast varmvattenbehovet måste man känna till den totala vattenförbrukningen per år, vilket illusteraras i bilaga 1. Därefter kontrollerades det om energiavgivningen från frånluftsystemet även kan användas till uppvärmningssystemet beroende hur mycket värmeenergi hela installationen ger för att sedan anpassa den totala energin som värmepumpen med värmebatterierna kan leverera per månad efter byggnadens månadsvisa värmebehov. Med denna metod erhölls ett totalt årligt värde på hur mycket värmeenergi som installationen kan ge. 4.2.3 Lönsamhetskalkyl Vid beräkning av lönsamheten för båda installationerna används inte grundinvesteringen i det första fallet utan endast beräkningar på nuvärdessumman. Detta tillvägagångssätt nyttjades då priserna på värmepump, frånluftsvärmepump och värmeåtervinningsbatterier kan variera beroende på företag och för att belysa hur mycket grundinvesteringen får kosta för att den ska vara lönsam. Genom att veta det går det att välja bland flera olika varianter på värmepumpar och värmebatterier och avgöra vilken som är bäst lämpad. I det andra fallet användes grundinvestering för att beräkna nettonuvärdet. Pris erhölls av företaget Comfortzone för den valda fastighetsvärmepumpen CFZ 180. Dessutom räknades en ackumulatortank med till systemet som en extra grundinvestering. Retermias nålrörsbatterier valdes som värmeåtervinningsbatterier och en vätska/vattenvärmepump från företaget IVT som värmepumpen i systemet då dess SCOP 2 är 3 och att den klarar av en hög värmeavgivning. Här adderades priset på en ackumulatortank också till som grundinvestering. 2 SCOP = årsmedelvärmefaktor som tar hänsyn till variationer i utomhustemperaturen under året [5] 28

Den data som användes vid båda lönsamhetsberäkningarna är: Byggnadens energibehov = 696 MWh/år Kalkylränta = 4 % Livslängd = 15 år Nuvärde = 11,1184 fås genom tabell, se bilaga 2. Genomsnittligt elpris de senaste tio åren = 1160 kr/mwh [26] ȠFV = Verkningsgrad på fjärrvärme = 97 % [4] Fjärrvärmepris = 771 kr/mwh [26] 29

30

5. Resultat 5.1 Frånluftsvärmepumpinstallation Temperaturen på frånluften vid fläktarna har uppmätts till 18,5 C vid OVK besiktning, se bilaga 3. Figur 12. Mollierdiagram, energin som utvinns via temperatursänkningen från h1 till h2. Diagrammet i figur 12 illustrerar förloppet när energin i frånluften utvinns av frånluftsvärmepumpen. När luften har temperaturen 18,5 C och relativa fuktigheten 40 % i första steget (h2) är entalpiinnehållet 33 kj/kg, därefter sker det en avkylning av luften tills relativa fuktigheten är 100 % och vattnet kondenserar då till -15 C och följer mättnadskurvan i diagrammet till den angivna temperaturen. Entalpin (h1) blir i det andra steget -13 kj/kg. Enligt Sveriges Tekniska Forskningsinstitut varierar luftens densitet med temperaturen, ju högre temperatur luften har desto lägre blir dess densitet [27]. Densiteten är viktig i detta sammanhang då den används vid beräkning av värmeeffekten som kan fås ut av luftens energiinnehåll. För att beräkna effekten ska entalpiinnehållet för temperatursänkningen vara känd, likaså densiteten för luften och dess flöde som i detta fall är flödet i frånluftskanalerna. Formeln för att räkna ut värmeeffekten är: 31

P = (h 2 -h 1 ) * ρ * q v där h2 = entalpiinnehållet för luften efter kylning [kj/kg] h1 = entalpiinnehållet för luften före kylning [kj/kg] ρ = luftens densitet [kg/m 3 ] qv = luftflöde [m 3 /s] P = effekten kw Vid beräkning av värmeeffekten räknas ett medelvärde på densitet ut först vid relativa fuktigheten 100 % eftersom det är då, under kondensationssteget som den mesta energin utvinns från luften. För att få fram ett medelvärde på densiteten används tabell 1. Medelvärdet blir, avrundat till tre värdesiffror 1,29 kg/m 3. Tabell 1. Luftens densitet [20] Luftens densitet Temperatur C vid RF = 100 % kg/m 3 20 1,3936 10 1,3399 0 1,2891 +10 1,2407 +20 1,1934 Effekten för totalflödet 2590 l/s beräknas enligt: P = (33 - (-13)) * 1,29 * 2,590 P = 154 kw Den maximala årliga energin som frånluftsvärmepumpen kan leverera är då 154 * 8760 h = 1 349 040 kwh, avrundat till 1 349 MWh. Månadsvis värmeenergi blir 1 349/12 = 112 MWh. Detta visar att energin som kan användas från det totala flödet i frånluftskanalerna kan täcka långt mer än hela värmebehovet för byggnaden som är 696 MWh. Eftersom det skulle behövas många frånluftsvärmepumpar för att kunna arbeta med ett så stort flöde och att syftet med denna värmepumpinstallation är att den ska vara en kompletterande värmekälla till fjärrvärmen utesluts denna stora installation. För att avgöra vilket flöde som vore bäst för denna installation används teknisk data för den valda fastighetsvärmepumpen CFZ 180 som arbetar med flöden mellan 180 l/s och 280 l/s. Då 280 l/s är dess maxflöde som pumpen kan tolerera går det att räkna ut hur många fastighetspumpar som skulle behövas för flödena som är fördelade på de tre fläktarna i frånluftsystemet på Skandiahuset i Gävle. Antalet pumpar som behövs för flödet på 1230 l/s är då 1230/280 = 4,3, det vill säga minst fem stycken behövs. Enligt samma procedur räknas antalet fastighetsvärmepumpar för resterande två flöden. För flödet på 840 l/s behövs det tre stycken. För 540 l/s är det två stycken. Med denna vetskap kan slutsatsen för vidare beräkningar dras att en dimensionering ska ske efter flödena 840 l/s eller 540 l/s då fem stycken värmepumpar skulle täcka hela värmebehovet i princip enligt beräkningen: Q = (33 - (-13) * 1,29 * 1,230 * 8760 = 639 MWh. 32

7 12 10 31 33 59 57 79 86 104 104 114 Frånluftsvärmepumpinstallationen ska i detta fall arbeta som en kompletterande uppvärmningskälla till fjärrvärmen. Att installera fem stycken moduler av fastighetsvärmepumpen vore även en för stor investering för fastighetsbolaget med tanke på att en modul har ett pris på 122 000 kr. Dessutom visar figur 13 att under sommaren är värmebehovet väldigt litet eftersom värmeenergin i stort sett bara går till uppvärmning av tappvarmvattnet, vilket medför att vid installation av många moduler går den stora effektavgivningen från frånluftsvärmepumpen till spillo under sommarperioden. Med denna aspekt i åtanke kan även slutsatsen att dimensionera frånluftsvärmepumpen efter minsta flödet dras, det flöde som pumpen ska dimensioneras efter är då 540 l/s. Årsfördelning av värmeanväningen [MWh] Figur 13. Värmeanvändningen månadsvis för Skandiahuset senaste 4 åren För flödet på 540 l/s beräknas effekten enligt: P = (33 - (-13)) * 1,29 * 0,54 P = 32 kw, och per år: Q = 32 * 8760 = 280 MWh 23 MWh/månad Då fastighetsvärmepumpen CFZ 180 har en maximal effekt på 18 kw behövs det två stycken moduler på 18 kw för att kunna hantera flödet på 540 l/s (540 l/s/280 l/s 2). Den totala installerade maxeffekten för fastighetsvärmepumpen som ska bestå av två moduler på 18 kw är 36 kw. Den maximala värmeenergi som dessa moduler kan ge på en månad är 36 kw * 730 h = 26 MWh och på ett år: Q = 26 * 12 = 312 MWh. Detta förutsätter att tillskottsvärmen kommer från elpatronen då luftens maximala värmeavgivning uppgår till 23 MWh per månad. Men eftersom att värmebehovet är litet under sommaren blir värmeenergin från frånluftsvärmepumpen anpassat efter det, vilket illustreras av tabell 2. Den totala och maximala energin som värmepumpen kan avge under ett helt år, utifrån värmebehovet under året är 263 MWh. 33

Tabell 2. Värmeenergin från frånluftsvärmepumpen under ett helt år med maximal avgivning på 26 MWh/månad Månad Värmebehov [MWh] Värmeenergi från frånluftsvärmepumpen [MWh] Januari 114 26 Februari 104 26 Mars 86 26 April 59 26 Maj 31 26 Juni 12 12 Juli 7 7 Augusti 10 10 September 33 26 Oktober 57 26 November 79 26 December 104 26 Totalt [MWh] 696 263 34

5.2 Värmeåtervinningsbatterier kopplade till en värmepump 5.2.1 Beräkning av varmvattenbehovet Den totala medelårsvattenförbrukningen de senaste fyra åren är 3112 m 3 /år. Av den totala förbrukningen på 3112 m 3 /år antas att 40 procent är till varmvattnet enligt energimyndigheten, alltså 3112 * 0,4 = 1245 m 3 /år [28]. Värmeenergin som behövs för att värma upp denna mängd vatten följer ekvationen: Q = q * 1,163 * ΔT där Q = värmeenergin [kwh] q = vattenförbrukningen [m 3 /år] ΔT = temperaturdifferensen [ C] Antalet grader som kallvattnet ska värmas upp under året antas vara 50 C, från 5 C till 55 C. Det är också temperaturdifferensen. Q = 1245 * 1,163 * 50 Q = 72 397 kwh Det krävs en energi på 72 397 kwh, 72,4 MWh för uppvärmning av kallvatten till varmvatten under ett år. Då det totala värmebehovet är 696 MWh står varmvattenbehovet för 72,4/696 = 10,4 procent av det totala värmebehovet. Överslaget per månad uppgår varmvattenbehovet till 6 MWh. 5.2.2 Beräkning av maximal energiavgivning vid installation Temperaturen på luften i frånluftskanalerna vid fläktarna är 18,5 C. Ekvationen som används för att beräkna hur mycket energi som kan utnyttjas av värmeåtervinningsbatterierna: P = qv * ρ * Cpluft * ΔT där P = effekt [kw] qv = luftflödet [m 3 /s] Cpluft = specifika värmekapaciteten för luft [J/(m 3 K)] ρ = densitet för luft [kg/m 3 ] ΔT = temperaturdifferensen för luft [ C] (kan vara i Kelvin) Eftersom tre batterier ska anslutas vid vardera fläkt används de tre luftflöden som är kända och deras temperatur i formeln. Ett rimligt antagande görs att luftens temperatur ut från värmebatteriet är 5 C. Det vill säga inte vattnets temperatur som går till värmepumpen utan avluften enligt figur 10. Effekten som värmebatteriet kan avge med flödet 1230 l/s är: P = 1,230 * 1,29 * 1 * (18,5 5) P = 21 kw För flödet 820 l/s: P = 0,82 * 1,29 * 1 * (18,5 5) 35

P = 14 kw För flödet 540 l/s: P = 0,54 * 1,29 * 1 * (18,5 5) P = 9 kw Den totala effekten blir då 9 + 14+ 21 = 44 kw. Detta under ideala förhållanden, alltså att batterierna har en verkningsgrad på 100 procent. I verkliga fallet antas att verkningsgraden för värmebatterierna är 50 procent. Då blir den totala effekten ut från batterierna 44/2 = 22 kw. Vidare räknas att denna effekt utnyttjas i värmepumpen enligt figur 9, alltså att värme överförs till värmepumpen via dess förångare. Värmepumpens SCOP faktor uppgår till 3. Därigenom fås en total värmeeffekt ut från hela systemet enligt: P = 22 * 3 = 66 kw. Den totala årliga energin som detta system maximalt ger är 66 * 8760 = 578 MWh. Räknat månadsvis blir den levererade värmeenergin från värmepumpen 48 MWh. Tabell 3. Värmeenergin från värmepumpen med värmebatterierna under ett helt år med maximal avgivning på 48 MWh/månad anpassat efter varmvattenbehovet Månad Varmvattenbehov [MWh] Värmeenergi från värmepumpen med batterier [MWh] Januari 6 6 Februari 6 6 Mars 6 6 April 6 6 Maj 6 6 Juni 6 6 Juli 6 6 Augusti 6 6 September 6 6 Oktober 6 6 November 6 6 December 6 6 Totalt[MWh] 72 72 Då den maximala värmeavgivningen varje månad är 48 MWh som systemet kan utvinna från frånluften men varmvattenbehovet uppgår till endast 6 MWh per månad visar tabell 3 att varmvattenbehovet under året kan täckas med god marginal, det vill säga 100 procent. Däremot skulle en sådan typ av dimensionering endast utnyttja ungefär 12 procent av den maximala kapaciteten som installationen kan leverera årligen, mer exakt blir den outnyttjade värmeenergin från värmepumpen: Qspillo = 578 72 = 506 MWh. 36

Tabell 4. Värmeenergin från värmepumpen med värmebatterierna under ett helt år med maximal avgivning på 48 MWh/månad anpassat efter varmvattenbehov Månad Värmebehov [MWh] Värmeenergi från värmepumpen med batterier [MWh] Januari 114 48 Februari 104 48 Mars 86 48 April 59 48 Maj 31 31 Juni 12 12 Juli 7 7 Augusti 10 10 September 33 33 Oktober 57 48 November 79 48 December 104 48 Totalt[MWh] 696 429 Genom att dimensionera systemet efter byggnadens totala värmebehov som tabell 3 åskådliggör kan hela installationen leverera maximalt 429 MWh årligen. Detta motsvarar ungefär 62 procent av det totala värmebehovet och installationens maximala kapacitet används under flertalet månader. Därutöver visar tabell 3 att värmeenergin ut från systemet är betydligt större när det dimensioneras efter totala värmebehovet än för fallet där dimensioneringen sker efter varmvattenbehovet. 37

5.3 Lönsamhetskalkyl Fjärrvärme Ursprungligt fjärrvärmebehov = Energibehov = 718 MWh ƞ 5.3.1 Frånluftsvärmepump Fall 1 SCOP frånluftsvärmepump = 2,8 Avgiven energi från frånluftsvärmepumpen = 263 MWh/år Frånluftsvärmepumpens elbehov: 263/2,8= 94 MWh/år Kostnel = Elkostnad för frånluftsvärmepumpen = 109 kkr/år Fjärrvärmebehov efter installation av frånluftsvärmepump: Energibehov Energi från installation ƞ = 445 MWh/år Ebesparad = Besparad energikostnad för fjärrvärme = (718 445) * 771 = 210 kkr/år Total årlig vinst: Ebesparad Kostnel = 101 kkr/år Nuvärdessumman = 11,1184 * 101 = 1 123 kkr Nettonuvärdet = G + nuvärdessumman Nettonuvärdet = -G + 1 123 000 Totala investeringen vid installation av frånluftsvärmepump får alltså kosta maximalt 1 123 kkr för att investeringen ska vara lönsam och nettonuvärdet positivt. Fall 2 Nettonuvärdet för fastighetsvärmepumpen CFZ 180 som har ett pris på 122 kkr/18 kw modul beräknas enligt: Investeringskostnad för två moduler = 244 kkr Arbetskostnad vid installation av värmepump är 25 procent av den totala kostnaden [29]. Därmed fås att investeringskostnaden är 75 procent av totala kostnaden. Arbetskostnaden är (244/0,75) * 0,25 = 81 kkr Ackumulatortank = 40 kkr [30] Grundinvestering = 81 + 244 + 40 = 365 kkr Nettonuvärdet = -365 000 + 1 123 000 = 758 000 kkr Nettonuvärdet är positivt vilket betyder att investeringen är lönsam. Investeringen avkastar kalkylräntan på 4 % och ger därtill ett överskott på 758 000 kr. 38

5.3.2 Värmepump med värmebatterier Fall 1 Avgiven energi från systemet = 429 MWh/år SCOP för värmepump = 3 Värmepumpens elbehov = 429/3 = 143 MWh Kostnel = Elkostnad för värmepumpen = 166 kkr/år Fjärrvärmebehov efter installation av batterier och värmepump: Energibehov Energi från installation ƞ = 275 MWh Ebesparad = Besparad energikostnad för fjärrvärme = (718 275) * 771 = 342 kkr/år Total årlig vinst för installation: Ebesparad Kostnel = 176 kkr/år Nuvärdessumman = 11,1184 * 176 = 1 957 kkr Investeringen får maximalt kosta 1 957 000 kr för att det ska vara lönsamt att göra denna installation. Fall 2 För att kunna leverera 429 MWh/år, behövs två värmepumpar av märket IVT Greenline och kostar 99 900 kr/st [31] Retermias värmebatterier kostar 25 kkr/st. Det behövs tre stycken. Investeringskostnad för värmepump = 199 800 kr Arbetskostnad för värmepump = (199 800/0,75) * 0,25 = 66 600 kr Investeringskostnad för värmebatterier = 75 000 kr Ackumulatortank = 40 kkr [30] Grundinvestering = 66 600 + 199 800 + 75 000 + 40 000 = 381 400 kr Nettonuvärdet = - 381 400 + 1 957 000 = 1 575 600 kr. Nettonuvärdet är positivt med god marginal och investeringen är lönsam. Kalkylräntan på 4 % avkastas och ett överskott på 1 575 600 kr fås. 5.3.3 Jämförelse mellan installationerna Nuvärdessumman per levererad MWh för frånluftsvärmepumpinstallationen är 1 123 000/263 = 4 270 kr. 39

Nuvärdessumman per levererad MWh för värmebatteri och värmepumpinstallationen är 1 957 000/429 = 4 562 kr. Nettonuvärdet per levererad MWh för frånluftsvärmepumpinstallationen är 758 000/263 = 2 882 kr. Nettonuvärdet per levererad MWh för värmebatteri och värmepumpinstallationen är 1 575 600/429 = 3 673 kr. Totalt överskott [kr/mwh] 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Nuvärdessumman/MWh Nettonuvärdet/MWh Frånluftsvärmepump Värmebatterier med värmepump Figur 14. Jämförelse mellan installationerna i totalt överskott per levererad MWh Det figur 14 visar är hur stort inbetalningsöverskott i kronor vardera installation ger i förhållande till mängden energi som installationen levererar både i nuvärdessumma och nettonuvärde på 15 år. Som det går att se har värmebatterier med värmepumpen ett större överskott i kronor per MWh än frånluftsvärmepumpen i båda fallen. 40

6. Diskussion 6.1 Resultat En viss avvikelse kan förekomma i resultaten då det har skett några antaganden som till exempel att värmebatterierna har en verkningsgrad på 50 procent. Dessutom har värdena avrundats till heltal och livslängden för båda fallen har satts till 15 år, detta för att underlätta jämförelsen mellan installationerna men även för att få en klarare uppfattning om hur lönsamheten skiljer sig åt mellan installationerna om båda har en livslängd på 15 år. Naturligtvis kan livslängden både vara längre och kortare i det verkliga fallet, beroende på en mängd faktorer. När det gäller den maximala energiavgivningen från frånluftsvärmepumpen kräver det att pumpen går maximalt större delen av året, rättare sagt nio månader och levererar 26 MWh konstant under dessa nio månader. Detta förutsätter att systemet arbetar idealt och att inga förluster finns, men i det verkliga fallet är det svårt för en frånluftsvärmepump att arbeta med en maximal effekt konstant under nio månader och leverera den mängd värmeenergi. Det samma gäller värmepumpen med värmebatterierna, visserligen har en verkningsgrad på 50 procent valts på värmeåtervinningsbatterierna men även här kommer förluster i systemet att göra att en maximal värmeavgivning på 48 MWh är svår att uppnå konstant under sju månader. I resultatdelen framgår det också att värmepumpen med värmebatterierna bör dimensioneras efter hela värmebehovet och inte bara efter varmvattenbehovet då värmeavgivningen ifrån värmepumpen tillsammans med batterierna är stor i förhållande till varmvattenbehovet. Systemets maximala kapacitet skulle inte utnyttjas om en sådan dimensionering utfördes eftersom en stor mängd utvunnen energi ifrån frånluften skulle förloras, närmare bestämt ungefär 88 procent, vilket troligen skulle även leda till att en installation av värmebatterier och värmepump inte skulle vara lönsam. Det resultatet främst visar när det gäller att använda frånluften som en värmekälla är att det är en lösning som vid båda installationerna ger en hög värmeavgivning och kan avlasta fjärrvärmeuppvärmningen i byggnaden men även att det är lönsamt att göra denna typ av investering. Detta beror i stor uträckning på att flerbostadshuset redan har ett befintligt styrt frånluftssystem och att inte ett helt nytt frånluftssystem behöver byggas upp. Däremot går det att konstatera att byggnader som redan har ett uppbyggt frånluftssystem bör använda frånluften till någon form av värmekälla då en sådan lösning inte bara ger en stor energibesparing utan bidrar också till en sundare miljö. Dessutom är en frånluftsvärmepump och värmeåtervinningsbatterier kopplade till en värmepump driftsäkra system som fungerar året runt och är oberoende av utomhustemperaturen om man jämför med andra luftvärmepumpar. Under årets kalla dagar när elkostnaden skjuter i höjden för andra luftvärmepumpar påverkas inte frånluftsvärmepumpar eller vätska/vattenvärmepumpen som drivs av frånluften i byggnaden. Det ska också ytterligare framföras att priserna på el och fjärrvärme är medelvärdespriser. Lönsamhetskalkylen för frånluftsvärmepump och värmeåtervinningsbatterier med värmepump kan variera beroende på var byggnaden finns på grund av att fjärrvärmepriset kan skilja sig åt i de olika regionerna i Sverige. På sommaren när energianvändningen minskar är fjärrvärmepriset också oftast betydligt lägre än på vintern, vilket kan påverka lönsamhetskalkylen i en större utsträckning då 41

installationerna i denna undersökning ersätter sommarlasten, det vill säga när fjärrvärmepriset är som lägst. Till sist ska det tilläggas att nettonuvärdet för installationerna kan variera en aning beroende på vilken typ av frånluftsvärmepump, värmebatteri och värmepump som väljs till systemet då priserna inte är samma hos varje företag. Dessutom kan annan typ av värmebatteri väljas istället för nålsrörsvärmeväxlare. Men detta gjordes för att få en tydligare uppfattning om hur stor lönsamheten blir om just dessa tekniska anordningar väljs då det passar väl in i systemet sett till dess tekniska data. Därför har även en nuvärdessumma beräknats fram som mestadels utgår ifrån hur mycket energi som kan utvinnas ifrån frånluften med ospecificerade tekniska anordningar. Nuvärdessumman illustrerar då hur mycket dessa installationer maximalt får kosta om lönsamhet ska uppnås. 6.2 Vidare studier Det som denna studie visar är att det finns stora energibesparingsmöjligheter att göra när det gäller flerbostadshus med ett styrt frånluftsystem. Då de flesta flerbostadshusen idag använder fjärrvärme som sin uppvärmningskälla skulle sådana här typer av installationer kunna bidra till att fjärrvärmebehovet för husen minskade markant om värmepumpinstallationer blev mer utbredda på flerbostadshusmarknaden. Detta i sin tur skulle leda till att företagen som säljer fjärrvärme till sina kunder skulle tappa mark i konkurrensen med andra typer av uppvärmningar i och med att en minskning av fjärrvärmebehovet bland flerbostadshusen skulle uppstå. Så förslag till vidare studier är att undersöka vad ett sådant scenario skulle innebära för fjärrvärmebolagen om flerbostadshusen i större utsträckning inte bara använde fjärrvärme utan även andra typer av kompletterande uppvärmningsvarianter. 42

7. Slutsatser Att installera en frånluftsvärmepump på frånluftssystemet i Skandiahuset är lönsamt om grundinvesteringen maximalt kostar ungefär en miljon kronor sett till mängden värmeenergi som kan utvinnas ifrån frånluften med hjälp av en frånluftsvärmepump. När det gäller installation av värmeåtervinningsbatterier tillsammans med en vätska/vattenvärmepump uppgår nuvärdessumman till cirka två miljoner kronor, det vill säga grundinvesteringen får maximalt kosta det beloppet om hela systeminstallationen ska vara lönsam. Vid beräkning av nettonuvärdet erhölls att frånluftsvärmepump är en lönsam investering att göra, likaså värmebatterier och värmepump. Men vid jämförelse mellan installationerna för nuvärdessumman visade det sig att värmebatterier kopplade till värmepump ger ett större överskott i kronor per levererad MWh värmeenergi än frånluftsvärmepumpen. Samma scenario upprepade sig vid jämförande för nuvärdet. Skillnaden blev större när jämförelsen gjordes för nettonuvärdet än för nuvärdessumman. Nettonuvärdet per levererad MWh för värmebatterier med värmepumpen ger ett överskott på 3 673 kr medan frånluftsvärmepumpen ger 2 882 kr. Dessa siffror demonstrerar att tre värmeåtervinningsbatterier med en värmepump bör installeras på frånluftssystemet i byggnaden då det ger ett stort inbetalningsöverskott över 15 år och ett stort nettonuvärde i positiv bemärkelse. Men eftersom frånluftsvärmepumpen också gav en stor lönsamhet ska inte en sådan installation uteslutas. Både frånluftsvärmepumpen och värmebatterierna som är anslutna till en värmepump täcker hela värmebehovet under sommarmånaderna då fjärrvärmepriset är lågt. Men under vintern när fjärrvärmepriset är högt täcker dessa en betydande mindre del vilket man ska ha i åtanke när lönsamhetskalkylen genomförs i detta arbete eftersom den utgår ifrån ett medelvärdespris på fjärrvärmen. Denna prisförändring kan ha en viss betydelse för lönsamhetskalkylen men överskottet är så pass stort för båda installationerna att slutsatsen kan dras att lönsamheten är god för dessa. Sammanfattningsvis går det att konstatera med hjälp av den här undersökningen att flerbostadshus med ett styrt frånluftssystem men som inte har någon form av värmeåtervinning på frånluften bör ha det. En stor mängd energi går förlorad som annars skulle kunna användas för värmeåtervinning, vilket i sin tur skulle leda till stora energibesparingar och bra ekonomiska förutsättningar. 43

44

8. Litteraturförteckning [1] E. Granryd, Värmepumpens historia, VVS Forum. [Online] Tillgänglig: http://www.emagin.se/v5/viewer/files/viewer_s.aspx?gkey=p10v0g2r&ginitpage=3. [hämtad: 2 april, 2015] [2] O. Beckman, Termodynamikens Grunder, Nationalencyklopedin. [Online] Tillgänglig: http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%c3%a5ng/termodynamik. [Hämtad: 2 april 2015] [3] Svenska Kyl & Värmepumpföreningen, Om Svenska Kyl & Värmepumpföreningen, SVEP. [Online] Tillgänglig: http://skvp.se/om-oss. [Hämtad: 2 april, 2015] [4] D. Friberg, R. Eklund, Värmepumparnas roll på utvecklingsmarknaden, Energimyndigheten. [pdf] Tillgänglig: file:///c:/users/semir/downloads/v%c3%a4rmepumparnas%20roll%20p%c3%a5%2 0uppv%C3%A4rmningsmarknaden.pdf. [Hämtad: 4 april, 2015] [5] D. Friberg, Samlad kunskap om värmepumpar, Energimyndigheten, 10 mars 2015. [Online] Tillgänglig: http://www.energimyndigheten.se/press/pressmeddelanden/samlad-kunskap-omvarmepumpar/. [Hämtad: 6 april, 2015] [6] Energimyndigheten, "Energiläget2013, Energimyndigheten, december 2013 [pdf] Tillgänglig: file:///c:/users/semir/downloads/energil%c3%a4get%202013.pdf [7] N. Mardan, Industriella Energisystem, Blackboard. [pdf] Tillgänglig: https://lms.hig.se/bbcswebdav/pid-272243-dt-content-rid- 2016613_1/courses/HT14_16702/F%C3%B6rel%C3%A4sning%202%281%29.pdf. [Hämtad: 7 april, 2015] [8] H. Alvarez, Energiteknik, upplaga 3:5. Lund: Studentlitteratur AB, 2006. [9] T. Giampaolo, Compressor Handbook: Principles and Practice. Lilburn, GA: Fairmont Press, 2010. [10] Svensk ventilation, Olika typer av värmeväxlare, Svensk ventilation. [Online] Tillgänglig: http://www.svenskventilation.se/ventilation/varmevaxlare/. [Hämtad: 10 april, 2015] [11] Bildkälla: http://sv.wikipedia.org/wiki/v%c3%a4rmev%c3%a4xlare [12] Kursnavet, Kompressorkylprocessen, Kursnavet. [Online] Tillgänglig http://www.kursnavet.se/kurser/energia/a07-005/a07-005-htm/a07-005-034.htm. [Hämtad: 11 april, 2015] [13] Energimyndigheten, Värmepump, Energimyndigheten, 25 april 2015. [Online] Tillgänglig: http://www.energimyndigheten.se/sv/hushall/dinuppvarmning/varmepump/. [Hämtad: 12 april, 2015] 45

[14] Lundagrossisten, VVS-KUNSKAP STEG TVÅ Lundagrossisten. [pdf] Tillgänglig: //lms.hig.se/bbcswebdav/pid-260282-dt-content-rid- 1912546_1/courses/HT14_16710/Utbildningskompendium_VVS_steg_2.pdf. [Hämtad: 15 april, 2015] [15] G. V. Fracastoro and M. Serraino, "Energy analyses of buildings equipped with exhaust air heat pumps (EAHP)," Energy Build., vol. 42, pp. 1283-1289, 8, 2010. [16] Energimyndigheten, Frånluftsvärmepumpar, Energimyndigheten, 27 december 2012. [Online] Tillgänglig: https://www.energimyndigheten.se/hushall/testerresultat/testresultat/franluftsvarmep umpar-2012/?tab=3. [Hämtad: 20 april, 2015] [17] Energi & klimatrådgivningen, Frånluftsvärmepump, Energi & klimatrådgivningen, februari 2014. [pdf] Tillgänglig: http://www.energiradgivningen.se/sites/default/files/root/faktablad/franlusftsvarmepum p_faktablad.pdf. [Hämtad: 21 april, 2015] [18] Energimyndigheten, Frånluftsvärmepumpar, Energimyndigheten, 27 december 2012. [Online] Tillgänglig: https://www.energimyndigheten.se/hushall/testerresultat/testresultat/franluftsvarmep umpar-2012/?tab=1. [Hämtad: 21 april, 2015] [19] Retermia, Teknologi, Retermia. [Online] Tillgänglig: http://www.retermia.fi/swe/?page_id=858. [Hämtad: 27 april, 2015] [20] Energimyndigheten, Ackumulatortank, Energimyndigheten, 8 augusti 2014. [Online] Tillgänglig: https://www.energimyndigheten.se/hushall/testerresultat/testresultat/ackumulatortank ar/?tab=3. [Hämtad: 2 maj, 2015] [21] J. Akander, Kostnader för energi i byggnader, Länsstyrelsen. [pdf] Tillgänglig: http://www.lansstyrelsen.se/gavleborg/sitecollectiondocuments/sv/miljo-ochklimat/klimat-och-energi/ekg-f/kostander_for_energi_i_byggnader.pdf. [Hämtad: 5 maj, 2015] [22] C. Ask, C. Johansson, H. Kullvén, den nya ekonomistyrningen, upplaga 4:4. Malmö: Liber AB, 2009. [23] Comfortzone AB, Återvinner energin i ventilationsluften från fastigheter, Comfortzone. [Online] Tillgänglig: http://www.comfortzone.se/files/produktblad2_fastighetspump.pdf. [Hämtad: 7 maj, 2015] [24] Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut, Luftfuktighet, SMHI, 23 april 2014. [Online] Tillgänglig: http://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/luftfuktighet-1.3910. [Hämtad: 7 maj, 2015] 46

[25] M. D. C. Warfvinge, Projektering av VVS-installationer, Studentlitteratur, Lund, 2010. [26] Statiska Centralbyrån, Ny metod för datainsamling avseende El- och gaspriser, SCB, 2007. [pdf] Tillgänglig: http://www.scb.se/pages/publishingcalendarviewinfo 259923.aspx?PublObjId=65 12. [Hämtad: 10 maj, 2015] [27] Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, Fakta om luft, SP. [Online] Tillgänglig: http://www-v2.sp.se/energy/ffi/fukt.asp. [Hämtad: 10 maj, 2015] [28] Energimyndigheten, Kallt och varmt vatten, Energimyndigheten, 28 mars 2011. [Online] Tillgänglig: http://www.energimyndigheten.se/hushall/varmvatten-ochventilation/vatten-och-varmvattenberedare/. [Hämtad 12 maj, 2015] [29] Energimarknadsinspektionen, Uppvärmning i Sverige 2012 Energimarknadsinspektionen, juni 2012. [pdf] Tillgänglig: http://www.ei.se/documents/publikationer/rapporter_och_pm/rapporter%202012/uppv armni ng_i_sverige_eir_2012_09.pdf [Hämtad: 12 maj, 2015] [30] Rinkaby rör, Ackumulatortank, rinkaby rör. [Online] Tillgänglig: http://www.rinkabyror.se/artikel/ctc-ecozenith-i550-pro-3x400sv/. [Hämtad: 12 maj, 2015] [31] IVT, Systemhandbok, IVT Värmepumpar. [Online] Tillgänglig: http://www2.ivt.se/pages/static.asp?lngid=368&lnglangid=1. [Hämtad 13 maj, 2015] 47

48

8. Bilagor 8.1 Bilaga 1 Figur 15. Vattenförbrukningen senaste fyra åren på Skandiahuset 49

8.2 Bilaga 2 Figur 16. Tabell för nuvärde [22] 50

8.3 Bilaga 3 Tabell 5. Flödesprotokoll för tre fläktar i Skandiahuset 51