Elbesparing med pelletkaminer och solvärme i direktelvärmda småhus

The aim of this study was to investigate how electricallyheated houses can be converted to using wood pellet and solarheating. There are a large number of wood pellet stoves on themarket. Many stoves have a water jacket, which gives anopportunity to distribute the heat to domestic hot water and aradiator heating system. Three typical Swedish houses with electric resistanceheating have been studied. Fourteen different system conceptsusing wood pellet stoves and solar heating systems have beenevaluated. The systems and the houses have been simulated indetail using TRNSYS. The houses have been divided in up to 10different zones and heat transfer by air circulation throughdoorways and open doors have been simulated. The pellet stoveswere simulated using a recently developed TRNSYS component,which models the start- and stop phases, emissions and thedynamic behaviour of the stoves. The model also calculates theCO-emissions. Simulations were made with one stove without awater jacket and two stoves with different fractions of thegenerated heat distributed in the water circuit. Simulations show that the electricity savings using a pelletstove are greatly affected by the house plan, the systemchoice, if the internal doors are open or closed and thedesired level of comfort. Installing a stove with awater-jacket connected to a radiator system and a hot waterstorage has the advantage that heat can be transferred todomestic hot water and be distributed to other rooms. Suchsystems lead to greater electricity savings, especially inhouses having a traditional layout. It was found that not allrooms needed radiators and that it was more effective in mostcases t use a stove with a higher fraction of the heatdistributed by the water circuit. The economic investigation shows that installing a woodpellet stove without a water jacket gives the lowest totalenergy- and capital costs in the house with an open plan (fortoday's energy prices and the simulated comfort criteria). Inthe houses with a traditional layout a pellet stove givesslightly higher costs than the reference house having onlyelectrical resistance heating due to the fact that less heatingcan be replaced. The concepts including stoves with a waterjacket all give higher costs than the reference system, but theconcept closest to be economical is a system with a bufferstore, a stove with a high fraction of the heat distributed bythe water circuit, a new water radiator heating system and asolar collector. Losses from stoves can be divided into: flue gas lossesincluding leakage air flow when the stove is not in operation;losses during start and stop phases; and losses due to a highair factor. An increased efficiency of the stoves is importantboth from a private economical point of view, but also from theperspective that there can be a lack of bio fuel in the nearfuture also in Sweden. From this point of view it is alsoimportant to utilize as much solar heat as possible. Theutilization of solar heat is low in the simulated systems,depending on the lack of space for a large buffer store. The simulations have shown that the annual efficiency ismuch lower that the nominal efficiency at full power. Thesimulations have also shown that changing the control principlefor the stove can improve efficiency and reduce theCO-emissions. Today's most common control principle for stovesis the on/off control, which results in many starts and stopsand thereby high CO-emissions. A more advanced control varyingthe heating rate from maximum to minimum to keep a constantroom temperature reduces the number of starts and stops andthereby the emissions. Also the efficiency can be higher withsuch a control, and the room temperature will be kept at a moreconstant temperature providing a higher comfort.

Energieffektivisering i småhus i Dalarna

En undersökning av byggnadsbeståndet i landet visar att permanentbodda småhus står för 70 % av det totala antalet byggnader, eller 54 % av den totala byggnadsarean. Inkluderas även fritidshus är siffran uppe i 92 % sett till antalet byggnader och det är tydligt att energieffektivisering i våra småhus spelar en nyckelroll i möjligheterna att nå uppsatta mål för minskad energianvändning i byggnadssektorn. Dalarna är ett län med en större andel småhus än genomsnittet för hela landet, med en stor mängd småhus byggda fram till 1960, samt mellan 1971-1980. Några anledningar att fokusera energieffektiviseringsarbete på småhusen byggda mellan 1971-1980 är dels att det är den åldersgrupp som innefattar näst flest hus (näst efter småhus uppförda fram till 1940) och dels att dessa småhus är tillräckligt nya för att innehålla många orenoverade objekt. Åldersspannet är även relativt snävt (endast 10 år) vilket innebär att byggtekniken som använts i dessa hus troligtvis är relativt lika. Å andra sidan förbrukar de äldre småhusen betydligt mer energi (köpt energi per m2) vilket är en anledning att titta även på äldre hus då potentialen för minskad energianvändning kan vara högre trots att de kanske redan är renoverade i en större utsträckning.

Paketering av energisparåtgärder i småhus

Ska energimålen med halvering av energianvändningen kunna nås i länet måste småhusägare och ägare av mindre flerbostadshus övertygas om nyttan och möjligheter med att energieffektivisera i egna byggnader. Genom att använda en metod för paketering av energisparåtgärder kan byggnader energirenoveras på ett effektivt sätt och energianvändningen kan på så sätt minimeras. BELOK Totalprojekt är en metod för energieffektivisering i kommersiella byggnader genom renovering med åtgärdspaket. Metoden har även använts för flerbostadshus och uppgiften i den här rapporten är att undersöka ifall samma metod kan vara lämplig att använda även för småhus. Resultaten visar att metoden mycket väl kan användas även för småhus, men att vissa anpassningar är nödvändiga för att småhusägare ska kunna relatera till resultatet. Vid renovering i småhus kan många olika aktörer vara inblandade beroende på hur småhusägaren väljer att utföra en renovering. Om småhusägaren själv gör huvuddelen av arbetet är det lämpligt att Energikalkylen eller motsvarande kan användas för att göra en förenklad energianalys av byggnaden för att sedan föra över data till BELOK Totalverktyg, där det ekonomiska utfallet för renoveringspaket illustreras. Uppföljningen efter slutförd renovering är något som till exempel energibolag skulle kunna erbjuda tjänster för. Om småhusägaren väljer att anlita en energikonsult för den initiala analysen av byggnaden kan BELOK Totalprojekt användas mer i sin helhet men detta innebär förstås en högre kostnad för småhusägaren. För att öppna upp för fler möjligheter för småhusägare att totalrenovera är det viktigt att även involvera banksektorn för att diskutera ett upplägg för lån till energieffektivisering. Här kan även styrmedel av karaktären statliga lånegarantier eller ROT-avdrag för energieffektivisering vara aktuella att ta upp till diskussion. Slutligen är kommunikation med småhusägarna väldigt viktig och här är aktörer som redan idag har kontakt med småhusägare centrala. Två sådana aktörer är energibolag samt Villaägarnas Riksförbund.

Energieffektivisering av klimatskal med hänsyn till kulturhistorisk värdering : Fallstudier av tre befintliga småhus från 1900-talet ur bevarandesynpunkt

Allt hårdare lagkrav gör att det är svårt att energieffektivisera befintliga byggnader utan att förändra deras utseende. Syftet med examensarbetet är att utreda hur stor energieffektivisering, för tre befintliga småhus uppförda under 1900-talet, som är möjlig att uppnå genom förbättring av byggnadernas klimatskal, det vill säga tak, väggar, golv, fönster och dörrar, utan att förvanska byggnadernas utseende och samtidigt bevara deras kulturhistoriska värden. Arbetet bestod av en förstudie där tre byggnader identifierades, ett undersökningsskede där information om byggnaderna togs fram och ett slutsatsskede där energibesparande åtgärdsförslag togs fram och utvärderades. Byggnader som var goda representanter för sin tid och stil söktes. Byggnader från 1910-talet, 1930-talet och 1970-talet, lokaliserades. Sedan gjordes det fallstudier med intervjuer och inventeringar. För att utreda byggnadens klimatskal utfördes u-värdesberäkningar och energiberäkningar av befintliga byggander och byggnader baserade på föreslagna åtgärdsförslag. Ingen av byggnaderna nådde efter föreslagna åtgärder ner till passivhuskravet 59 kWh/år/m2 Atemp eller BBR-kravet 110 kWh/år/m2 Atemp för en byggnads specifika energianvändning. Den största möjliga energieffektivisering för de tre byggnaderna uppförda under 1900-talet, som är möjlig att uppnå utan att förvanska byggnadernas utseende och samtidigt bevara deras kulturhistoriska värden är 13,0 kWh/år/m2 Atemp, 49,7 kWh/år/m2 Atemp respektive 64,8 kWh/år/m2 Atemp. Slutsatser från arbetet är att byggnader från 1910-tal kan åtgärdas genom att isolera fönstren, sätta dit en extra dörr på insidan av ytterdörren samt tilläggsisolera snedtaket. Byggnader från 1930-tal kan åtgärdas genom att isolera fönstren med en isolerruta på insidan av fönstret och dörrarna med en extra dörr på insidan av ytterdörren. Byggnader från 1970-tal kan åtgärda fönstren genom att byta ut dem till energifönster, ingen åtgärd för golvet men fasaden isoleras utvändigt med vakuumisolering. Byggnaden från 1970-talet klarade sig bäst i jämförelsen eftersom den var i autentiskt skick från början vilket gjorde att förbättringen blev större än för till exempel byggnaden från 1910-talet som redan var ombyggd innan åtgärder föreslogs.

Decisions with Impact on Energy Reduction Opportunities : Swedish manufacturers and buyers of new single-family houses

This article discusses some of the complexities of human decision-making. It aims, in particular, at relating the nature of decision-making to the illusory dichotomies of change and stability, individual actions and cultural sharing. Serving as an illustration to the discussion of the article is ongoing fieldwork in contexts of buying, selling and constructing pre-fabricated detached houses in the central Sweden, and the very specific question of how decisions to install one kind of heating-system rather than another come about. A common reductionism is to narrow down the understanding of decisions about heating systems and energy consumption to conscious choices made by individual householders. I have asked myself whether, on the contrary, anyone actually makes such decisions at all. Perhaps some of these decisions are merely outcomes of interaction between different individuals with their respective responsibilities and focuses of interest.

Småhusens framtida utformning : -Hur påverkar Boverkets nya byggregler?

Från och med 1:a jan 2010 gäller nya byggregler avseende energianvändning och effektbehov för nya byggnader. De nya kraven innebär en skärpning för alla byggnader som använder el för uppvärmning. För att begränsa effektbehovet för elvärmda hus införs krav på maximal installerad eleffekt och kraven på köpt energimängd blir lägre i hus med elvärme än i hus som har annat uppvärmningssätt. Denna rapport undersöker hur byggandet kan komma att påverkas av de nya byggreglerna och vilka system som kan komma att bli dominerande i småhusen framöver. En villa med olika isolerstandard simulerades på fyra olika orter från Malmö i söder till Kiruna i norr och energianvändningen för de olika uppvärmningssystemen beräknades sedan scha-blonmässigt med hjälp av tillverkarnas data. Två olika isolerstandarder och ett passivhus simu-lerades med respektive utan från och tilluft med värmeåtervinning. Resultaten visar att traditionella frånluftvärmepumpar inte klarar kraven, både vad gäller ener-gi och effekt, förutom möjligen i sydligaste Sverige i ett välisolerat hus. En kondenserande frånluftvärmepump som kyler frånluften kraftigare och utvinner kondensationsvärme klarar kraven om den uppfyller vad tillverkaren lovar. En frånluft/jordvärmepump klarar också kra-ven, men ligger nära gränsen i Mellansverige. De uppvärmningsalternativ som klarar de nya energikraven med god marginal i alla klimatzoner är kondenserande frånluftvärmepump, bergvärmepump, fjärrvärme (FTX krävs i norra Sverige), pelletkamin med FTX samt passiv-huset. De el-baserade uppvärmningsalternativ som ger lägst elanvändning är bergvärmepump samt passivhus alternativet. Dessa ligger på alla orter långt under kravgränserna från BBR.Uppvärmning med enbart pellets eller fjärrvärme (utan FTX eller solvärme) klarar inte energi-kraven med tillräcklig marginal förutom i Malmö. Det krävs ytterligare åtgärder som kan vara tilläggsisolering, värmeåtervinning med FTX, frånluftvärmepump eller solvärme. Pelletvärme-systemen får lite svårare att klara energikraven, pga pelletkaminens verkningsgrad. Det blir alltså i praktiken krav på FTX med ved, pellets och oftast med fjärrvärme.En ekonomisk utvärdering har genomförts baserad på första årets energi-, kapital- och under-hållskostnader. Kapitalkostnader delas upp på komponentens förväntade livslängd med annui-tetsmetoden. Framtida underhållskostnader diskonteras ett nuvärde och delas upp med annui-tetsmetoden. Dagens energipriser och en kalkylränta på 4,5 % används som utgångspunkt, men varieras för olika scenarier. Fjärrvärme tycks ge bland de lägsta kostnaderna av de studerade alternativen. I alla fall i de kommuner som ligger under medelpriset för svensk fjärrvärme. Vedeldning har inte studerats här, men ger säkerligen lägst totalkostnader om man accepterar den tid som krävs för att han-tera ved och elda. Det studerade passivhuset hör också till de alternativ som har bland de lägs-ta kostnaderna då investering och energianvändning vägs samman. Men räntenivån har en stor inverkan på systemens totalkostnad. Låg ränta har en utjämnande effekt på totalkostnaden. Vid högre ränta ökar kostnaden mest för system med lång livslängd (avskrivningstid), vilket gör passivhusen dyrare. Pelleteldning i nybyggda hus kommer nog att utgöra en mindre del av installationerna, då det krävs FTX och investeringskostnaden blir ganska hög, men om lösningar med frånluftvärme-pump och luftburen pelletkamin mot förmodan skulle komma att uppfylla kraven för ett icke elvärmt hus kan det bli ett uppsving av sådana lösningar.

Combined solar and pellet heating systems for single-family houses : How to achieve decreased electricity usage, increased system efficiency and increased solar gains

In Sweden, there are about 0.5 million single-family houses that are heated by electricity alone, and rising electricity costs force the conversion to other heating sources such as heat pumps and wood pellet heating systems. Pellet heating systems for single-family houses are currently a strongly growing market. Future lack of wood fuels is possible even in Sweden, and combining wood pellet heating with solar heating will help to save the bio-fuel resources. The objectives of this thesis are to investigate how the electrically heated single-family houses can be converted to pellet and solar heating systems, and how the annual efficiency and solar gains can be increased in such systems. The possible reduction of CO-emissions by combining pellet heating with solar heating has also been investigated. Systems with pellet stoves (both with and without a water jacket), pellet boilers and solar heating have been simulated. Different system concepts have been compared in order to investigate the most promising solutions. Modifications in system design and control strategies have been carried out in order to increase the system efficiency and the solar gains. Possibilities for increasing the solar gains have been limited to investigation of DHW-units for hot water production and the use of hot water for heating of dishwashers and washing machines via a heat exchanger instead of electricity (heat-fed appliances). Computer models of pellet stoves, boilers, DHW-units and heat-fed appliances have been developed and the parameters for the models have been identified from measurements on real components. The conformity between the models and the measurements has been checked. The systems with wood pellet stoves have been simulated in three different multi-zone buildings, simulated in detail with heat distribution through door openings between the zones. For the other simulations, either a single-zone house model or a load file has been used. Simulations were carried out for Stockholm, Sweden, but for the simulations with heat-fed machines also for Miami, USA. The foremost result of this thesis is the increased understanding of the dynamic operation of combined pellet and solar heating systems for single-family houses. The results show that electricity savings and annual system efficiency is strongly affected by the system design and the control strategy. Large reductions in pellet consumption are possible by combining pellet boilers with solar heating (a reduction larger than the solar gains if the system is properly designed). In addition, large reductions in carbon monoxide emissions are possible. To achieve these reductions it is required that the hot water production and the connection of the radiator circuit is moved to a well insulated, solar heated buffer store so that the boiler can be turned off during the periods when the solar collectors cover the heating demand. The amount of electricity replaced using systems with pellet stoves is very dependant on the house plan, the system design, if internal doors are open or closed and the comfort requirements. Proper system design and control strategies are crucial to obtain high electricity savings and high comfort with pellet stove systems. The investigated technologies for increasing the solar gains (DHW-units and heat-fed appliances) significantly increase the solar gains, but for the heat-fed appliances the market introduction is difficult due to the limited financial savings and the need for a new heat distribution system. The applications closest to market introduction could be for communal laundries and for use in sunny climates where the dominating part of the heat can be covered by solar heating. The DHW-unit is economical but competes with the internal finned-tube heat exchanger which is the totally dominating technology for hot water preparation in solar combisystems for single-family houses.

Fjärrvärmedrivna vitvaror : Erfarenheter från utveckling, installationer och kostnadsberäkningar

Värmedrivna vitvaror eller HWC-maskiner som de kallas av tillverkaren värms med varmt vatten från en cirkulerande krets via en värmeväxlare inbyggd i maskinen, till skillnad från konventionella maskiner som värms med el. Denna teknik skall inte förväxlas med maskiner som är anslutna till varmvattenledningen och fylls på med varmt vatten och som därmed begränsas till disk- och tvätt. Syftet med fjärrvärmedrivna vitvaror är alltså att använda fjärrvärme, som har lägre kvalitet och pris än elenergi för uppvärmning och torkning och på så sätt spara el och utöka fjärrvärmeunderlaget. En jämförelse av koldioxidutsläpp och primärenergianvändning mellan konventionella vitvaror och fjärrvärmedrivna vitvaror visar att både koldioxidutsläpp och primärenergianvändning blir lägre för fjärrvärmedrivna vitvaror om biobränsle anses koldioxidneutralt och den el som ersätts är producerad i kolkraftverk eller gaskombikraftverk.   Denna rapport beskriver utveckling och kommersialisering av värmedrivna vitvaror (disk- och tvättmaskiner samt torktumlare och torkskåp) och hur de kan anslutas mot fjärrvärmesystem i olika systemlösningar. Dessutom har de energimässiga och ekonomiska förutsättningarna för tekniken undersökts. Erfarenheterna från fältprovning är dock mycket begränsade, eftersom de byggen där fälttesterna skulle ske försenades. Under 2013 färdigställs ett flerbostadshus med värmedrivna vitvaror i 160 lägenheter i Västerås.   De utvecklade maskinernas värmeanvändning som andel av total energianvändning vid 60 graders framledningstemperatur har uppmätts till ca 50 % för diskmaskinen, 67 % för tvättmaskinen, 80 % för torktumlaren och 93 % för torkskåpet. I det studerade flerbostadshuset av passivhusstandard uppgår lasten från värmedrivna vitvaror komfortgolvvärme och handdukstorkar till upp mot 30 % av husets totala värmeanvändning. För småhus är motsvarande siffra upp mot 20 %. Att använda fjärrvärme istället för elvärme till dessa installationer som normalt är elvärmda kan allts minska elbehovet betydligt i lågenergibebyggelse vilket också minskar både koldioxidutsläppen och primärenergianvändningen.   Ekonomiska analyser har genomförts för två olika systemkoncept (separat vitvarukrets och Västeråsmodellen) för nybyggda småhusområden och flerfamiljshus där fjärrvärme inte bara används till vitvaror utan också till handdukstorkar och komfortgolvvärme. De ekonomiska analyserna visar att Västeråsmodellen är den mest ekonomiskt intressanta systemlösningen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme. I flerfamiljshus kan den vara konkurrenskraftig mot de elvärmda alternativen (konventionellt system med eldrivna vitvaror, komfortgolvvärme och handdukstorkar) om prisskillnaden mellan el och fjärrvärme är större än 0,7 kr/kWh. En parameterstudie visar att kapitalkostnaden blir ganska hög jämfört med energikostnaden, vilket betyder att lång livslängd och många cykler är viktigt för att förbättra de ekonomiska förutsättningarna för värmedrivna vitvaror. För passiva småhus blir kostnaden för Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme likvärdig med de elvärmda alternativen vid energiprisskillnader på 0,7 kr/kWh inklusive moms, medan det krävs prisskillnader på 0,9 kr/kWh inklusive moms för normalisolerade småhusområden.   Sammanfattningsvis kan sägas att i kommuner med ett konkurrenskraftigt fjärrvärmepris finns det viss lönsamhet för hela konceptet enligt Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, komfortgolvvärme, och handdukstorkar. Om man däremot ser på konkurrensen för enskilda vitvaror är det främst torktumlaren som är konkurrenskraftig i bostäder. Målpriset på 1000 kr extra för värmedrift har inte kunnat uppnås inom projektet för diskmaskiner och tvättmaskiner. Det krävs lägre priser och låga anslutningskostnader för att räkna hem diskmaskinen och tvättmaskinen som enskilda komponenter.   Värmedrivna tvättmaskiner och torktumlare är konkurrenskraftiga i flerfamiljstvättstugor. Speciellt i de fall där beläggningen är god och flera maskiner delar på anslutningskostnaden till fjärrvärmecentralen kan värmedrift bli riktigt lönsam. Torkskåpens konkurrenskraft har inte kunnat utvärderas, då priset ännu inte fastställts. Att använda VVC-systemet för värmedistribution till värmedrivna vitvaror kan vara mycket intressant, men det kräver att legionellaproblematiken kan lösas. I nuläget finns ingen lösning som uppfyller formuleringarna i boverkets byggregler. Ett annat distributionssätt som kan vara intressant, men som inte undersökts i studien är att använda VVC för varmvattendistribution och en gemensam radiator- och vitvarukrets med konstant framledningstemperatur. Den aktör som förväntas ha störst ekonomiskt intresse av att tekniken implementeras är sannolikt fjärrvärmebolagen som får sälja mer värme och det ligger därmed främst på deras ansvar att marknadsföra tekniken i mötet med sina kunder.

Energy Efficiency through Thermal Energy Storage : Possibilities for the Swedish Building Stock

The need for heating and cooling in buildings constitutes a considerable part of the total energy use in a country and reducing this need is of outmost importance in order to reach national and international goals for reducing energy use and emissions. One important way of reaching these goals is to increase the proportion of renewable energy used for heating and cooling of buildings. Perhaps the largest obstacle with this is the often occurring mismatch between the availability of renewable energy and the need for heating or cooling, hindering this energy to be used directly. This is one of the problems that can be solved by using thermal energy storage (TES) in order to save the heat or cold from when it is available to when it is needed. This thesis is focusing on the combination of TES techniques and buildings to achieve increased energy efficiency for heating and cooling. Various techniques used for TES as well as the combination of TES in buildings have been investigated and summarized through an extensive literature review. A survey of the Swedish building stock was also performed in order to define building types common in Sweden. Within the scope of this thesis, the survey resulted in the selection of three building types, two single family houses and one office building, out of which the two residential buildings were used in a simulation case study of passive TES with increased thermal mass (both sensible and latent). The second case study presented in the thesis is an evaluation of an existing seasonal borehole storage of solar heat for a residential community. In this case, real measurement data was used in the evaluation and in comparisons with earlier evaluations. The literature reviews showed that using TES opens up potential for reduced energy demand and reduced peak heating and cooling loads as well as possibilities for an increased share of renewable energy to cover the energy demand. By using passive storage through increased thermal mass of a building it is also possible to reduce variations in the indoor temperature and especially reduce excess temperatures during warm periods, which could result in avoiding active cooling in a building that would otherwise need it. The analysis of the combination of TES and building types confirmed that TES has a significant potential for increased energy efficiency in buildings but also highlighted the fact that there is still much research required before some of the technologies can become commercially available. In the simulation case study it was concluded that only a small reduction in heating demand is possible with increased thermal mass, but that the time with indoor temperatures above 24 °C can be reduced by up to 20%. The case study of the borehole storage system showed that although the storage system worked as planned, heat losses in the rest of the system as well as some problems with the system operation resulted in a lower solar fraction than projected. The work presented within this thesis has shown that TES is already used successfully for many building applications (e.g. domestic hot water stores and water tanks for storing solar heat) but that there still is much potential in further use of TES. There are, however, barriers such as a need for more research for some storage technologies as well as storage materials, especially phase change material storage and thermochemical storage.

Dalarnas byggnadsbestånd : Sammansättning och energianvändning 2008

Dalarnas byggnadsbestånd kännetecknas av en stor andel bostäder, i synnerhet småhus. Permanentbebodda småhus och fritidshus utgör 60% av den uppvärmda arean i länet och bostäderna uppskattas stå för över 80% av energianvändningen i länets bebyggelse. En stor andel av bebyggelsen är byggt före 1961 och nybyggnationstakten har varit mycket låg sedan mitten av 1990 ‐talet. Detta i kombination med en låg rivningstakt gör att energiomställningen måste ske i den befintliga bebyggelsen, förutsatt att rådande trender inte bryts radikalt. Ägarstrukturen av den befintliga bebyggelsen är mycket fragmenterad på grund av den höga andelen småhus, vilket måste påverka strategin för omställningsarbetet. Tänkbara kommande analyser av bl.a. specialenheterna (skolor, allmänna byggnader, idrottsanläggningar etc.), fritidshusen och socioekonomiska faktorer relaterade till länets bebyggelse skulle kunna förfina problembilden och underbygga det långsiktiga strategiska arbetet för energieffektiviseringen i länet.