ZW ENERGITEKNIK RAPPORT Komfortvärmekrets i flerbostadshus Jan Lindfors och Heimo Zinko ZW Energiteknik AB Box 137 611 23 Nyköping Oktober 2007
1 INLEDNING 1.1 Bakgrund I vårt moderna samhälle har vi vant oss att använda maskinell hjälp till många arbetsinsatser, i de flesta fallen baserad på den bekväma användningen av elektrisk energi. Detta i tillämpningar där vi även skulle ha möjligheten att använda andra energiformer, t ex värme från fjärrvärmesystem. Som exempel kan nämnas vitvarorna diskmaskin, tvättmaskin och torktumlare, där den största delen av eltillförseln används för att värma vatten. Detta var rimligt förr då elen ansågs vara en energiform bland flera. I ett globalt resurshushållningsperspektiv borde vi dock tillämpa en exergikalkyl och finner då att varmvattenvärmningen kan ske betydlig resurssnålare, såsom är fallet i just fjärrvärmesystem. Fjärrvärmebranschen har därför startat flera projekt för att undersöka, om det inte finns förutsättningar för att ersätta en del av elanvändningen i våra hushåll med fjärrvärme. I referens [1] har det gjorts en studie som visade på olika möjligheter, förutom hos vitvaror även luftkonditionering, poolvärmning, växthus och isfrihållning av markytor, m m. Göteborg Energi gick därefter (i samarbete med Växjö Energi) vidare ett steg för att demonstrera hur olika av dessa tillämpningar kan se ut i verklighet för ett småhus [2]. Sedan sommaren 2006 används fjärrvärme för de ovannämnda applikationerna i en villa i Göteborg. Den stora marknaden för fjärrvärmedrivna maskiner bedöms dock tills vidare finnas i flerbostadshus, främst för tvätt- och diskmaskiner, där marknaden kan räknas med miljontals maskiner. I [2] uppskattas potentialen för el-besparingen vid ersättning av eldrivna maskiner med fjärrvärmedrivna i Sverige till ca 360 GWh/år. Vidare blir det också allt mer vanligt att förse badrummen med handduktork och uppvärmt badrumsgolv. Dessa tillämpningar kan tänkas ge en potentiell last på ytterligare några 100 GWh/år. Nedan ges förslag hur den tekniska lösningen för användningen av fjärrvärmedrivna maskiner i flerbostadshus borde kunna se ut. 1.2 Syfte och mål Syftet med uppdraget är att ta fram förslag på en ny värmekrets för flerbostadshus som ger möjligheten att driva olika nya applikationer med fjärrvärme. Den nya kretsen med hetvatten (~70 o C) ska komplettera de existerande kretsarna för radiatorvärme och tappvarmvatten. Bland tänkta applikationer kan nämnas golvvärme i badrummet, handdukstork, tvätt- och diskmaskin, torktumlare med mera. I studien visas principschema för inkoppling till fjärrvärme samt två alternativa förslag hur maskinerna kan användas. Exemplen avser installation i ett flerbostadshus med 20 lägenheter. 2
2 INKOPPLINGSFÖRSLAG 2.1 Förutsättningar Fastigheten som använts som exempel har 5 våningar med 4 lägenheter/vån, vilket ger totalt 20 lägenheter. Badrummets värmeeffektbehov antas vara 500 W. Befintliga stammar för varmvatten och radiatorvärme ska användas i högst möjliga mån. Badrummet förses med golvvärme, handduktork, tvättmaskin och torktumlare. Diskmaskin finns i köket. I princip finns det två olika sätt att använda disk- och tvättmaskinerna. De kan antingen kopplas direkt till husets varmvattenkrets och då använda varmvattnet på den temperatur som det brukar ha (ca 55 C). Resterande energibehovet tillförs då elektriskt. Sådana maskiner finns på marknaden. Eller så kan värmen tillföras via en sekundär hetvattenkrets som matas från fjärrvärme. I detta fall överförs processvärme via en ytterligare värmeväxlare som är inbyggd i maskinen (se Figur 1). Figur 1: Skiss över fjärrvärmeanslutna disk- och tvättmaskin med intern värmeväxlare Problemet med moderna maskiner är att vattenmängden i tvätt- eller diskprocesser är så liten, att energin i varmvatten inte räcker till för att tillföra den nödvändiga processenergin. En disk- eller tvättmaskin ansluten till varmvattenkretsen kan grovt räknat tillgodogöra sig endast halva energibehovet med fjärrvärme, medan resten måste tillföras elektriskt. Detta har utretts noggrant i en doktorsavhandling av Tomas Persson (SERC [3]). Maskiner för varmvattenanslutning finns på marknaden medan maskiner vars värme kommer från 3
en hetvattenkrets finns inte på marknaden för närvarande, utan måste specialtillverkas, vilket har skett för villan i Göteborg [2]. Figur 2 visar resultat från en simulering av den sammanlagrade effekten för driften av värmedrivna apparaterna diskmaskin, tvättmaskin och torktumlare för tjugo lägenheter enligt [5]. Diskmaskin, tvättmaskin, tumbler för 20 hus 25,0 20,0 15,0 Effekt [kw] 10,0 5,0 0,0 0 1680 3360 5040 6720 Figur 2: Lastfördelning för diskmaskin, tvättmaskin och tumbler för 20 hus (6-minutersintervaller för en period av fyra veckor). Till grund för beräkningarna ligger utnyttjandetiden enligt Tabell 1. Tabell 1: Utnyttjandegrad per år för installationer. Tvättmaskin 60/40 o C Torktumlare Handdukstork (60 C) Diskmaskin 120 / 80 ggr per år 140 ggr per år 8760 h per år 220 ggr per år För golvvärme förutsätts att golvets yttemperatur är 25 C året runt. 4
2.2 Rekommenderade inkopplingssätt Alternativ 1: Ny hetvattenkrets på 70 C För att underlätta inkopplingen till fjärrvärme föreslår vi här följande tillvägagångssätt: - Diskmaskinen ansluts till befintlig varmvattenkrets - Tvättmaskin och tumlare ansluts till ny hetvattenkrets - Handdukstork ansluts till ny hetvattenkrets - Komfortgolvvärme i badrummet ansluts till ny hetvattenkrets via shunt. På detta sätt får man ett system med väl fungerade, via en hetvattenkrets sekundärt till fjärrvärme anslutna tvättmaskiner och tumlare anslutna i bostadens badrum och som fungerar väl för 40 C och 60 C tvätt med en hetvattenkrets. Ca 80 % av maskinernas energibehovs täcks av fjärrvärme. Diskmaskinens anslutning till varmvattenkretsen är en kompromiss för att undvika att dra hetvattenstammen till köket. I detta fall kan dock endast 40 % av energin tillföras via fjärrvärme. Den nya hetvattenkretsen inkopplas parallellt med radiator- och varmvattenkretsen (Figur 3). Den regleras så att utgående temperatur blir ca 70 C. Temperaturkravet på en ny hetvattenstam är ca 70 o C framledningstemperatur för att elförbrukningen på installerade applikationer skall minimeras. Hetvattenkretsens värmeväxlare är dimensionerad till 20 kw, det räcker för maximaleffekt på badrumsgolv för 20 lägenheter samt för handdukstork på 200 W i varje badrum och för drift av hushållsmaskinerna enligt Figur 2. Figur 3: Parallellkoppling med ny hetvattenkrets 5
Dimensionerande flödet för ny hetvattenstam är beräknat till 0,15 l/s, isolerad ledning används med rördimension 15 mm för stam. Lägenhetens anslutningsledning dimensioneras till 12 mm. Till hetvattenkretsen kan i princip anslutas tvättmaskin, torktumlare, handdukstork och golvvärme i alla lägenheter. Golvvärme shuntas så att önskad yttemperatur erhålls. Figur 4 visar själva inkopplingen för en lägenhet. Figur 4: Skiss över inkoppling av de nya FV-applikationerna enligt Alternativ 1 i en lägenhet 6
Nedanstående Tabell 2 visar hur fördelningen mellan elenergi och fjärrvärme ser ut för ett bostadshus där de olika applikationerna förutsätts finnas i alla 20 lägenheter. Tabell 2: Energianvändning i kwh för Alternativ 1 för 20 lägenheter. kwh Elektrisk drift Fjärrvärmedrift El Fjärrvärme El Diskmaskin 5 280 1 980 3 300 Tvättmaskin 3 760 2 960 800 Torktumlare 10 360 8 480 1 880 Handdukstork (17 600) 10 000 Golvvärme 30 000 Som det framgår av tabellen ovan så ger främst de nya lasterna handdukstork och komfortgolvvärme ett större bidrag till utnyttjandet av fjärrvärme. El-besparingen blir dock också viktig, 13420 kwh för själva maskinerna och eventuellt ytterligare 17600 kwh för handdukstork, ifall en elektrisk sådan skulle ha använts istället. Golvvärme utgör ingen ny värmelast då vi utgår ifrån att badrummen var uppvärmda redan tidigare med värmeradiatorer. Även handdukstorken utgör endast delvis en ny last eftersom den bidrar till uppvärmning av badrummet och tar således över en del av värmelasten. 7
Alternativ 2: Inkoppling på befintliga varmvatten- och radiatorstammar Det här är det enklaste inkopplingssätt som utnyttjar befintliga varmvatten- och radiatorstammar. - Diskmaskinen och tvättmaskin ansluts till befintlig varmvattenkrets - Handdukstork och golvvärme (via shunt) ansluts till radiatorkrets - Torktumlaren är eldriven Detta anslutningssätt tar inte fördel av möjligheten att utnyttja fjärrvärme fullt ut. I gengäld behövs ingen ny hetvattenstam. Nackdelen är att torktumlaren inte fungerar effektivt på så låga temperaturer och bör vara eldriven. Fördelen är att disk- och tvättmaskinerna med både varm- och kallvattenanslutningen finns tillgängliga på marknaden. Hur inkopplingen kan se ut framgår av Figur 5. Tabell 3 visar energianvändningen i detta fall. Tabell 3: Energianvändning i kwh för Alternativ 2 för 20 lägenheter kwh Elektrisk drift Fjärrvärmedrift El Fjärrvärme El Diskmaskin 5 280 1 980 3 300 Tvättmaskin 3 760 1560 2 200 Torktumlare 10 360 10 360 Handdukstork (17 600) 8 000 Golvvärme 25 000 Den använda fjärrvärmeandelen är mindre och elanvändningen större än i Alternativet 1. Elbesparingen för maskinerna är 3540 kwh/år. Värmeanvändningen för golvvärme och handdukstork är mindre än i Alternativ 1. Detta beror på att vi utgår ifrån att dessa inte är varma under sommarperioden när radiatorkretsen är avstängd. 8
Figur 5: Skiss över inkoppling av de nya FV-applikationerna enligt Alternativ 2 i en lägenhet 9
3 KOSTNADERNA Alternativ 1: Ny hetvattenkrets på 70 C Installationskostnader är beräknade enligt gängse offertkalkyler för 2007. Kostnader beräknas dels för nya stammar och dels för 10 m rörstråk per lägenhet. Övriga kostnader avser komplettering av FC och anslutning av maskinerna. Kostnaden är beräknad utifrån nybyggnation av fastigheten. Vi utgår ifrån att nya stammar med hetvatten (70 o C) dras till badrum där tvättmaskin, torktumlare och handdukstork finns installerade. Vi antar också att komfortgolvvärme installeras i badrummet. Diskmaskin i köket ansluts till varmvattnet (55 o C). Den beräknade kostnaden för nya stammar och ledningar till badrum samt anslutning av utrustningen uppgår till 262 000 kr fördelat enligt Tabell 5. Kostnaden är beräknad utifrån nybyggnation av fastigheten. Tabell 4: Kostnadsfördelning System Alternativ 1 Kostnad Antal Totalt Stam, 5 våningar 8 000 kr 4 32 000 kr Rörstråk värme (10 m) 15 000 kr 10 150 000 kr Komplettering FC (vvx mm) 40 000 kr 1 40 000 kr Anslutning resp inkoppling av system 500 kr 80 40 000 kr 262 000 kr Kostnaden per lägenhet blir således ca 13 000 SEK. 10
Alternativ 2: Inkoppling på befintliga varmvatten- och radiatorstammar Vi utgår ifrån att golvvärme och handdukstork ansluts via radiatorkretsen som redan är framdragen till badrummet. För temperaturregleringen av golvvärme installeras en lägenhetsshunt som styrs på rums- eller golvtemperaturen. Kopplingen innebär att golvvärme och handduktork är avstängda sommartid. (Det finns handdukstork med inbyggd elpatron för eftervärmning på marknaden, men det är något som vi inte förordar här). Tabell 5: Kostnadsfördelning System Alternativ 2 Kostnad Antal Totalt Shunt till golvvärme 2 000 kr 20 40 000 kr Anslutning resp inkoppling av system 500 kr 80 40 000 kr 80 000 kr Kostnaden per lägenhet blir således ca 4 000 SEK 11
4 SLUTSATSER De maskiner som behandlas i den här rapporten hänförs till privatmarknaden. Vi vill här betona att det finns fjärrvärmedrivna tvättmaskiner modell större avsedda för tvättinrättningar och gemensemhetsanläggningar i flerfamiljshus. Vi utgår ifrån och uppmanar till att dessa även i fortsättning används i fjärrvärmedrift. Den här föreslagna inkopplingen av nya fjärrvärmeapplikationer till en ny hetvattenkrets enligt Alternativ 1 utgör en lösning för vilken vi ser många tillämpningsmöjligheter i framtida fjärrvärmesystem. Förutom de nämnda applikationerna kan hetvattenkretsen användas för uppvärmning av rekreationsapplikationer såsom badtunna, simbad, bastu men även för isfrihållning av diverse gångstråk, för bilvärmare, växthus mm. Fjärrvärmesystemets utvidgning med en ny servicekrets kan således bidra till at väsentligt öka fjärrvärmeanvändning i en annars sjunkande värmemarknad. Lösningen enligt Alternativ 2 är en kompromiss där framför allt ingen bra lösning finns för torktumlaren. Alternativet 2 har dock fördelen att de produkter som kommer till användning redan är kommersiella. 12
5 REFERENSER [1] Walletun, H, Zinko H: Det fjärrvärmeanpassade småhuset. Värmegles 2004:8. [2] Zinko, H., et al: Avancerad fjärrvärmeanvändning i småhus. Rapport Svensk Fjärrvärme 2006. [3] Persson, T: Combined solar and pellet heating systems for single-family houses. Doctoral Thesis KTH Energy Environmental Technology, 2006. [4] Zegers, F.T.S., Molenbroek, E.C.: Field test of heat-fed washing machines and tumble dryers, Cadence Appendix K. ECOFYS, Utrecht, Netherlands, 2000. Available from: <http://www.eci.ox.ac.uk/lowercf/pdfdownloads/appendixk.pdf>. [5] Zinko, H. et al. District heating distribution in areas with low heat demand density. Final report in preparation (2007). 13