Energieffektivisering Integrerat värmesystem mellan bostäder och livsmedelsbutik Examensarbete inom högskoleingenjörsprogrammet Byggingenjör HESSAM TABRIZI Institutionen för bygg- och miljöteknik CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg EXAMENSARBETE 2009
Sammanfattning Denna rapport undersöker om det är möjligt att sammankoppla en livsmedelbutiks kylsystem med närbelägna bostäders värmesystem för att ta vara på värmeöverskottet från livsmedelsbutiken och jämför detta med en fjärrvärmeanslutning. Rapporten undersöker om detta är ett lönsamt alternativ för de inblandade parterna. För denna lösning behöver man ha en värmepump som förser bostäderna med värme samtidigt som den matas med värmeöverskottet från livsmedelsbutiken. I de alternativ det finns en bergvärmepump, kan livsmedelsbutiken i gengäld ta vara på frikyla från bergvärmepumpens energihål under sommaren och dessutom då återfylla hålen med värme. Fyra olika uppvärmningsalternativ har presenterats och jämförts med att enbart använda fjärrvärme, vilket i dagsläget är det alternativ som föredras i området. Studien visar att två av dessa alternativ har en lägre livscykelkostnad än fjärrvärmealternativet, även om grundinvesteringen är högre.
Innehållsförteckning 1. INLEDNING 4 1.1 BAKGRUND 4 1.2 SYFTE 4 1.3 METOD 4 1.4 AVGRÄNSNINGAR 4 1.5 FÖRUTSÄTTNINGAR 4 1.6 KRAV FRÅN ÄLVSTRANDEN UTVECKLING 5 2. ANALYS 6 2.1 ENERGIBALANS 6 2.2 UPPVÄRMNINGSALTERNATIV 8 2.3 ENERGIANVÄNDNING 13 2.4 KOLDIOXIDUTSLÄPP 13 3. EKONOMI 15 3.1 INVESTERINGSKALKYL 15 3.2 LIVSCYKELKOSTNADSANALYS 15 3.3 KÄNSLIGHETSANALYS 16 4. DISKUSSION 18 5. SLUTSATS 19 KÄLLFÖRTECKNING 21
1. Inledning Examensarbetet har skrivits på uppdrag av Älvstranden Utveckling AB i samarbete med Bengt Dahlgren AB. Syftet är att undersöka integrering mellan en livsmedelsbutik och närliggande bostäder vad gäller energieffektivisering. 1.1 Bakgrund Under år 2009 kommer det att byggas upp ett nytt område i Sannegårdshamnen. Detta område har namngetts Inre Sannegården och kommer att ligga i norra delen av hamnområdet. Inre Sannegården kommer att vara navet i Sannegårdshamnen och utgöra en centrumliknande bebyggelse. Här skall man bygga en stor livsmedelsbutik samt kompletterande småbutiker och vårdcentral. Vårdcentralen kommer att inkludera tandvårds- och distriktssköterskemottagning. Det kommer även att uppföras hus med bostadslägenheter. Totalt byggs det 222 lägenheter som kommer att vara en blandning av bostads- och hyresrätter. Det finns en öppen yta i anslutning till hamnbassängen som kommer att bli ett allmänt utrymme för de boende. 1.2 Syfte Syftet med den här rapporten är att undersöka om det går att ta vara på överskottsvärme från en livsmedelsbutik för att värma närliggande bostäder. Rapporten ämnar därmed att påvisa eventuella fördelar med att samköra ett kylsystem som är avsett för livsmedelskyla med en värmepump och ge olika förslag på hur principen ska utföras. Ett annat viktig syfte är att ta reda på om detta är ekonomiskt lönsamt. Genom beräkningar skall flera tekniska lösningar tas fram samt jämföras i en LCC-kalkyl. 1.3 Metod Metoderna som har använts för denna rapport innefattar litteraturstudier och intervjuer. Litteraturstudierna som har gjorts inkluderar till exempel handlingar från Göteborg Energi, Praktisk Kylteknik och tidningen Älvstrand. Samtal har kontinuerligt förts med handledare och sakkunniga inom branschen. 1.4 Avgränsningar Genom att först diskutera och intervjua experter inom branschen har de typ av system som anses mest ekonomiskt och miljömässigt fördelaktig valts ut och studerats. De systemlösningar som på förhand blev uteslutna presenteras inte i rapporten. Alla lösningar som presenteras är principlösningar där funktionen visas, dock ej på detaljnivå. 1.5 Förutsättningar Nedanstående indata kommer att användas för vidare beräkningar. Flerbostadshus Antal: 222 st Yta: 24185 m 2 Beräknad energibehov: 2242 MWh Vårdcentral och butiker Yta: 800 m 2
Beräknad energibehov: 56 MWh Livsmedelsbutik Yta: 5500 m 2 Beräknad energibehov: 300 MWh (Staffan Bolminger; personlig kontakt, april 2008) 1.6 Krav från Älvstranden Utveckling Konsortiet åtar sig att följa Bygga-Bo-Dialogens mål för energianvändning. Bygga-Bo- Dialogen är ett samarbete mellan näringsliv och regering som ämnar att vara en ledstjärna mot en hållbar utveckling. Dess mål är att bygg- och fastighetsbranschen ska ha nått uppsatta mål för hållbar utveckling år 2025: Utbyggnaden av Sannegården centrum skall utföras med låg energianvändning såväl vid byggnation som i drift. Bygga-Bo-Dialogens mål anger att energianvändningen i sektorn totalt skall minska med minst 30 % till senast år 2025. Det ger oss ett mål på energianvändning i nybyggda flerbostadshus. Se tabell 1. Tabell 1. Förteckning över Bygga-Bo-Dialogens energimål. Flerbostadshus (75m 2 /lgh) El kwh/m 2,år (A-temp) Fjärrvärme (inkl varmvatten) kwh/m 2,år (A-temp) Fjärrkyla kwh/m 2,år (A-temp) Totalt kwh/m 2,år (A-temp) År 2010 30 70 0 100 År 2015 30 60 0 90 År 2025 30 40 0 70 Kontor och verksamhetslokaler År 2010 35 35 35 105 År 2015 30 30 30 90 År 2025 25 20 25 70 (Älvstranden Utveckling AB, 2008)
2. Analys Livsmedelsbutiken kommer att ha en stor kylanläggning som, genom att producera kyla till diverse kyldiskar och kylrum, även kommer att generera en kontinuerlig mängd värmeenergi (kondensorvärme). En viss del av denna värmeenergi kommer att återvinnas och användas för att värma butiken, men detta utgör endast en mindre del av den totala tillgängliga värmen. Kondensorvärmen varierar i temperatur, mellan 15 till 40 C, beroende på utetemperaturen. På vintern är temperaturen lägre än på sommaren. För att kunna ta vara på den lågtempererade kondensorvärme som finns tillgänglig på vintern kan en värmepump användas till att lyfta temperaturen. Värmepumpen fungerar enligt nedanstående beskrivning och illustration: Värmepumpen innehåller fyra huvudkomponenter förångare, kompressor, kondensor och expansionsventil. Det är en sluten rörkrets och innehåller någon typ av köldmedium som förångas vid låga temperaturer och är en god energibärare. På grund av den energi som kan tas tillvara av livsmedelsbutikens kondensorvärme höjs värmepumpens värmefaktor eller COP (Coefficient of Performance). Värmefaktorn anger förhållandet mellan den tillförda kompressorenergin och den energi som värmepumpen avger. Värmepumpen i figur 1 har en värmefaktor som varierar mellan 3,2-4,5. Figur 1. Värmepump. Sommartid kommer det att behövas komfortkyla till livsmedelsbutiken samt till övriga lokaler, dels på grund av den värme solinstrålningen tillför och dels på grund av den internvärme som bildas av de människor som vistas där. Värmepumpen i figur 1 kan då användas som komfortkylmaskin. 2.1 Energibalans En energisammanställning redovisas för att ge insyn i hur mycket energi som går åt i de olika byggnaderna. Livsmedelsbutikens värmeöverskott som ska användas i återvinningen
presenteras samt värmebehov för bostäderna, livsmedelsbutiken, vårdcentralen och centrumbutikerna. Uppgifter från Parkhuset i Sannegårdshamnen och ett genomsnitt från befintliga livsmedelsbutiker i västra Sverige har använts som underlag för nedanstående beräkningar. För vårdcentralen och centrumbutikerna har schablonvärden använts då utförandet av dessa inte är närmare känt. Tabell 2. Energisammanställning för bostäder, vårdcentral, centrumbutiker samt livsmedelsbutik. Bostäder (24185m 2 ) MWh kwh/m 2, år kw VV 510 21,1 58 Uppvärmning 1732 71,6 750 Summa värmebehov 2242 92,2 808 Vårdcentral och centrumbutiker (800m 2 ) Uppvärmning och VV 56 70 24 Summa värmebehov 56 70 24 Totalt värmebehov 2298 832 Livsmedelsbutik MWh kw (5500m 2 ) Avgiven 2200 250 kondensorvärme från kylanläggning Tillgänglig 1900 190 kondensorvärme för att täcka värmebehov utanför livsmedelsbutiken Komfortkyla 100
2.2 Uppvärmningsalternativ Fem olika uppvärmningsalternativ, som anses relevanta och ekonomiskt gångbara, har framarbetats. Alternativen har tagits fram för att påvisa vilken systemlösning som är bäst lämpad ur ett energi- och ekonomiperspektiv. Alternativ ett avser enbart inkoppling av fjärrvärme medan alternativ två till fem innefattar tillvaratagande av livsmedelsbutikens överskottsenergi. Resterande del av energibehovet som värmepumpen inte tillgodoser, täcks av fjärrvärme- eller elspets. I två av alternativen används bergvärmepump i kombination med värmepumpen för att öka energitäckningsgraden. Nedan följer en redogörelse över alternativen. Tabell 3. Förteckning över vilka delar alternativen innehåller. VP BVP Fjv. spets Elspets Alt.1 X Alt.2 X X X Alt.3 X X Alt.4 X X X Alt.5 X X Alternativ 1: Fjärrvärmeanslutning 832 kw Ingen återvinning av livsmedelsbutikens överskottsvärme En e rgi be h ov (kw) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Fjärrvärme 0 2000 4000 6000 8000 10000 (timmar) Figur 2. Varaktighetsdiagram över bostädernas totala energibehov.
Alternativ 2: Överskottsenergin från livsmedelsbutiken pumpas ut till en ackumulatortank i värmecentralen, där tas denna energi tillvara av värmepumpen för att i huvudsak värma bostäderna. Genom en bergvärmepump kan man få ökad energitäckningsgrad. Bergvärmepumpen hämtar energi ur berget vintertid och på sommaren kan frikyla till livsmedelsbutiken fås ur hålen. Till detta kommer ett minskat komfortkylbehov för livsmedelsbutiken vilken beaktas i LCC-beräkningen. Värmepump 276 kw Bergvärmepump 98 kw (8 st energibrunnar) Fjärrvärmespets 458 kw En e rgi beh ov (kw) 900 800 Fjärrvärmespets 700 600 500 VP och BVP 400 300 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 (timmar) Figur 3. Varaktighetsdiagram där energitäckningsgraden för värmepump och bergvärmepump visas. Figur 4. Principlösning med värmepump, bergvärmepump, fjärrvärmespets och frikyla.
Alternativ 3: Värmepumpen har samma funktion som alternativ 2, men levererar också komfortkyla till livsmedelsbutiken sommartid. Värmepump 276 kw Fjärrvärmeanslutning 556 kw En e rgi beh ov (kw) 900 800 700 Fjärrvärme 600 500 400 VP 300 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 (timmar) Figur 5. Varaktighetsdiagram där energitäckningsgraden för värmepump/komfortkylmaskin visas. Figur 6. Principlösning med värmepump/komfortkyla och fjärrvärmeanslutning.
Alternativ 4: Samma funktion som alternativ 2, men med el som spets. Värmepump 276 kw Bergvärmepump 98 kw (8 st energibrunnar) Elspets 458 kw En e rgi beh ov (kw) 900 800 700 Elspets 600 500 VP och BVP 400 300 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 (timmar) Figur 7. Varaktighetsdiagram där energitäckningsgraden för värmepump och bergvärmepump visas. Figur 8. Principlösning med värmepump, bergvärmepump, elspets och frikyla.
Alternativ 5: Samma systemlösning som alternativ 3, men med el som täcker resten av energibehovet. Värmepump 276 kw Elpanna 556 kw En e rgi beh ov (kw) 900 800 700 Elspets 600 500 400 VP 300 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 (timmar) Figur 9. Varaktighetsdiagram där energitäckningsgraden för värmepump/komfortkylmaskin visas. Figur 10. Principlösning med värmepump och elpanna.
2.3 Energianvändning Energianvändningen per år för varje alternativ redogörs i figur 11. Tabell 4 redogör för indata till stapeldiagrammet. I tabellen anges även värmeenergin per kvadratmeter, dock är energin uträknat för bruttototalarea (BTA). Figur 11. Energianvändning för varje alternativ i kwh per år. Tabell 4. Energianvändning (kwh/år) Alt. 1 Alt. 2 Alt. 3 Alt. 4 Alt. 5 Enhet Fjärrvärme - 574 500-139 000 - - kwh/år sommar Fjärrvärme - 1 723 500 300 000 417 000 - - kwh/år vinter El - 50 000 266 000 316 000 266 000 316 000 kwh/år VP/komfortkyla El - BVP - 136 000-136 000 - kwh/år El -spets - - - 300 000 573 000 kwh/år Värmeenergi/m 2 (BTA) 97 29 36 29 36 kwh/m 2 2.4 Koldioxidutsläpp Svenska miljöinstitutet, IVL, har gjort en oberoende undersökning som visar att koldioxidutsläppen är 90 gram per förbrukad kwh fjärrvärme. Detta värde används i rapporten för uträkning av det totala utsläppet under 15 år. Nordisk medelel, 90 gram per kwh, har använts för uträkning av koldioxidutsläpp för el i figur 12. I figur 13 är uträkningen gjord på grön el istället för nordisk medelel och detta värde har antagits till 1 gram per kwh.
Figur 12. Koldioxidutsläpp. Figur 13. Koldioxidutsläpp, grön el.
3. Ekonomi 3.1 Investeringskalkyl Tabellerna nedan redogör för olika investeringskostnader. I tabell 5 redovisas kostnaderna för grundinvesteringen för varje alternativ. I beräkningarna förutsätts det att värmecentralen är i direkt anslutning till livsmedelsbutiken och därmed har kulvertkostnader ej inkluderats. Tabell 6 visar den reinvestering som förutsetts behöva göras i form av kompressorbyte ett visst antal år efter grundinvesteringen. Tabell 7 redogör för de årliga underhållskostnaderna för värmepumparna. Tabell 5. Investeringskostnader. Kostnaderna är i kkr. Typ av Alt.1 Alt. 2 Alt. 3 Alt. 4 Alt. 5 investering Bergvärmepump - 1422-1422 - Värmepump - 691 691 691 691 Fjärrvärme 832 448 556 - - Komfortkyla 500 - - - - El- - - - 200 200 VVB+Elpanna Värmecentral - 450 400 450 400 Styr - 300 280 280 300 Summa 1332 3321 1927 3043 1591 Tabell 6. Reinvestering. Kostnaderna är i kkr. Antal år Alt. 1 Alt. 2 Alt. 3 Alt. 4 Alt. 5 8-150 120 150 120 Tabell 7. Underhållskostnader, kostnaderna redovisas i kr/år. Alt. 1 Alt.2 Alt. 3 Alt. 4 Alt. 5 Underhåll - 6250 6250 6250 6250 3.2 Livscykelkostnadsanalys Samtliga uppvärmningsalternativ har jämförts ur ett LCC-perspektiv över 15 år och redovisas i figur 14. Tabell 8 redogör för de indata som har använts för LCC-beräkningen. Energiprisökningen av fjärrvärme är uppräknad med 2 % utöver index och el med 5 %. Alla priser är exklusive moms. Tabell 8. Förutsättningar för LCC- kalkylerna Kalkylperiod 15 år Elpris 1,0 kr/kwh Fjärrvärme sommar, vår och 0,232 kr/kwh höst Fjärrvärme vinter 0,469 kr/kwh Kalkylränta 7 %/år Energiprisökning - 2 %/år fjärrvärme Energiprisökning - El 5 %/år (Staffan Bolminger; Personlig kontakt, april 2008)
I figur 14 framgår hur stor del av livscykelkostnaden som utgörs av olika energislag och investeringskostnader. Figur 14. Diagram över alternativens livscykelkostnad, staplarna redovisar för investering och olika energikostnader. 3.3 Känslighetsanalys Enligt en rapport från Energimarknadsinspektionen, Uppvärmning i Sverige 2007, har elpriset ökat med cirka 5 % de senaste 10 åren, därför används detta värde i rapporten. En känslighetsanalys visar hur alternativen påverkas om elpriset ökar mellan 4-12 % och fjärrvärmepriset mellan 0-8 %. Kalkylräntan har varierats mellan 4-10 %. Ovanstående illustreras i diagrammen nedan, figur 15-17. Figur 15. Livscykelkostnad som funktion av elprisökning i procent.
Figur 16. Livscykelkostnad som funktion av fjärrvärmeprisökningen i procent. Figur 17. Livscykelkostnad som funktion av kalkylräntan i procent.
4. Diskussion Rapporten har undersökt om det är möjligt och ekonomiskt fördelaktigt att ta tillvara på den stora mängd överskottsenergi som livsmedelsbutiken producerar. Fyra olika alternativa lösningar för detta har tagits fram. Dessa alternativ har sedan jämförts med att enbart använda sig av fjärrvärme, då fjärrvärme är det självklara alternativet om man inte vill ta vara på livsmedelsbutikens överskottsenergi. Alternativen har analyserats i olika kalkyler för att kunna utröna vilket alternativ som är bäst ur både ett ekonomiskt och energieffektivt perspektiv. Enligt LCC-kalkylen är alternativ 3 lönsammare än fjärrvärmealternativet, trots att det innebär en högre grundinvestering. Detta på grund av att i alternativ 3 tas det till vara på energi från livsmedelsbutiken och kompletteras av fjärrvärmen. Även alternativ 2 är lönsammare än fjärrvärmealternativet, men de övriga alternativen 4 och 5 blir avsevärt kostsammare och är därför inte intressanta att investera i. Även känslighetsanalysen för prisökning av el visar att alternativ 3 är den mest lönsamma investeringen, för intervallet 4 till 12 %. Först vid en real elprisökning på cirka 9 % är alternativ 2 likvärdigt med fjärrvärmealternativet. Alternativ 4 och 5 påverkas i större utsträckning av ökningar i elpriset och är därmed mindre lönsamma. Känslighetsanalysen för prisökning av fjärrvärme visar att samtliga alternativ är lönsammare än fjärrvärmealternativet vid en prisökning på 4 %. Energianvändningen är avsevärt större för fjärrvärmealternativet än övriga alternativ, därav blir koldioxidutsläppen också större. Dessa skillnader kan diskuteras beroende på vilken källa som används. I denna rapport har värdet 90 gram per kwh koldioxid använts i enlighet med en oberoende källa, IVL. Andra parter, så som fjärrvärmeleverantörer, anger ett mycket lägre värde. Den största fördelen med att återvinna överskottsvärme från livsmedelsbutiken är att det är en stor insats för miljön då denna energi annars skulle gå till spillo. Om man väljer att investera i någon av värmepumpslösningarna finns även fördelen att livsmedelsbutiken inte behöver investera i en komfortkylmaskin då detta behov tillgodoses av värmepumpen. Värmepumpen kommer i sin tur att få en högre värmefaktor då den tar tillvara på energin från livsmedelsbutiken. Nackdelarna med att återvinna värmen är att det innebär en stor grundinvestering. Detta måste dock sättas i relation till hur miljön påverkas och vad kostnaderna blir under ett längre perspektiv. Initialt lägger man ned mer pengar än om man väljer fjärrvärmealternativet, men den årliga energikostnaden blir lägre. En annan nackdel kan vara att fjärrvärmeleverantören kan vara motvilliga att ansluta sig till en lägre effekt än om de tillgodosett det totala effektbehovet och därmed kan de höja energipriset. En annan aspekt att ta hänsyn till är att det skapas ett elberoende då det tas vara på spillvärmen än om man ansluter sig till fjärrvärmen. Detta på grund av att värmepumpen som tar tillvara på spillvärmen drivs av el. Detta ska sättas i relation till att elen blir grönare då vind- och vattenkraft blir vanligare förekommande.
5. Slutsats Följande slutsatser kan dras: Syftet med denna rapport har uppfyllts. Det är både möjligt och lönsamt att koppla samman bostädernas värmesystem med livsmedelsbutikens kylanläggning. Alternativ 3, återvinning av livsmedelsbutikens överskottsenergi med en värmepump, är det lönsammaste alternativet. Alternativ 2 är också lönsammare än fjärrvärmealternativet. Låg miljöbelastning, särskilt med grön el. Värmepumpen kan även användas som komfortkylmaskin till livsmedelsbutiken. Att ta vara på spillvärmen innebär en större grundinvestering, men ger en lägre årlig energikostnad. Värmepump i kombination med bergvärmepump har en större energitäckningsgrad än enbart värmepump men investeringen blir högre än fjärrvärmealternativet. Bergvärmepumpen ger även möjlighet till frikyla. Alternativen med värmepump och elspets blir avsevärt dyrare än de övriga alternativen. Alternativ 2 är likvärdigt med fjärrvärmealternativet om elprisökningen är 9%. Vid en fjärrvärmeprisökning med mer än 3 % är alternativ 4 lönsammare än fjärrvärmealternativet och vid en ökning med 4 % är även alternativ 5 lönsammare. Alternativen är värda att detaljstudera.
Källförteckning Ävstranden Utveckling AB (2008). Miljöåtaganden för Sannegården Centrum. Opublicerat manuskript, Älvstranden Utveckling AB.