En liten bit utanför Uppsala ligger Starbo, ett litet villaområde där byggföretaget NCC planerar att uppföra 17 stycken nya villor plus en verkstad. Området runt Starbo är relativt exploaterat då Uppsala växer västerut. Stenhagens centrum ligger norrut på andra sidan riksväg 55 mot Enköping och Naturreservatet Hågadalen ligger sydväst om Starbo. Någon ytterligare exploatering förutom de sjutton husen som nu byggs är inte planerad inom någon nära framtid. NCC har utrustat de nya husen med individuella uppvärmningssystem. Några hus har direktverkande el, andra har värmepumpar, ytterligare några värmer sina hus genom pannor med olika typer av bränslen.

Personerna som skall flytta till Starbo är dock inte nöjda med NCCs lösning på energiförsörjningen. De vill undersöka möjligheterna med ett gemensamt värmesystem och eventuellt även egen försörjning av hushållselektricitet. Uppgiften med detta projektarbete är att utreda olika alternativ till energiförsörjning i nybyggnationen i Starbo. Ordföranden i samfälligheten vill även titta på hur energiförsörjningen i hans villa skulle kunna lösas om samfälligheten beslutar att inte bygga en gemensam anläggning. Syftet med denna uppgift är att sammanställa ett projekteringsunderlag för området ur energisynvinkel.

Projektuppgiften består av 5 stycken olika delar.

1. Beräkning av energi- och effektbehovet plus hushållsel för samtliga 18 fastigheter. Beräkna kulvertförluster för dragningen av fjärrvärmesystemet. Se karta för dragning.
2. Beräkning av ett system baserat på frånluftsvärme samt el för fastighet 17.
3. Beräkning av ett system baserat på en värmepump som kombinerar frånluft och mark/bergvärme för fastighet 17.
4. Beräkning av ett gemensamt system baserat på flis inköpt från lokal leverantör.
5. Beräkning av ett system för elektricitetsförsörjning (hushållsel plus drift av värmecentralen) genom ett vindkraftverk.

Vissa speciella krav ställs på beslutsunderlagen till varje uppgift:

1. Det skall finnas teknisk beskrivning och dimensionering samt analys av kostnader för det enskilda systemet, det gemensamma systemet och vindkraftsystemet.
2. För det gemensamma systemet skall total energiverkningsgrad samt emissionerna från systemet ur ett livscykelperspektiv beräknas.
3. För vindkraftsystemet skall kostnad per levererad kilowattimme presenteras.
4. Dessutom skall en analys av skötsel och underhåll, politiska beslut och andra faktorer som kan ha inverkan diskuteras för samtliga uppgifter.

För att genomföra denna uppgift inom den tidsram som givits har många antaganden fått göras. Dessa redovisas och motiveras löpande i texten.

En grundläggande förutsättning för arbetet är energi- och effektbehoven för de arton olika fastigheterna (se uppgift a och b under projektuppgift). Underlaget för beräkningarna för alla fastigheter utom nummer 6, 17 och 18 bifogades i projektbeskrivningen. För fastigheterna som ej behandlats där utfördes beräkningarna i datorprogrammet BV2, samt med gradtimmemetoden och DUT20. Se Bilaga 1 för resultat. I denna rapport används dock inte dessa beräkningar, utan de värden som gemensamt bestämdes på avstämningen den 24/2 2005. Se Bilaga 2 för resultat.

Följande avsnitt behandlar uppgift c-e.

Detta system är baserat på en värmepump som kombinerar frånluft och mark/bergvärme för fastighet nummer 17.

Vid valet av värmepump utgicks det i första hand från att den skulle klara de kombinerade kraven, det vill säga kunna kombinera frånluft och mark/bergvärme. I andra hand valdes den efter den effekt hus 17 behöver för att tillgodose värmebehovet. Vid dimensionering av värmepumpar är det allmänt vedertaget att dimensionera så att pumpen klarar 85 % av det maximala effektbehovet. Värmebehovet för hus 17 är 7,5 kW och pumpen skulle således behöva klara (0,85’7,5) = 6,4 kW. Tyvärr fanns ingen skräddarsydd lösning för våra krav utan det fick bli en kompromiss. Valet blev då en IVT 495 TWIN. Denna pump ger oss en enkel och lättskött komplett lösning. Dock är den lite underdimensionerad, 3,9 kW, men steget upp till nästa effekt skulle bli ekonomiskt oförsvarbart. Komplementet till värmepumpen blir en 6 kW elpatron. Elpatronen å sin sida är kraftigt överdimensionerad, men var den minsta elpatron som fanns till vår modell av värmepump. Värmefaktorn för pumpen fås från tekniska data.

• Avgiven värmeeffekt: 3,9 kW
• Tillförd eleffekt: 1,55 kW
• Värmefaktorn: 3,9/1,55 = 2,5

För att få fram hur mycket elvärme som måste tillföras samt hur mycket el pumpen behöver görs ett varaktighetsdiagram för hus 17. Varaktighetsdiagrammet tas fram med hjälp av gradtimmemetoden. Linjer dras för inomhustemperatur samt för gratisvärmen (med en årsmedeltemperatur på 6,7 grader Celsius för Uppsala). Sedan tas temperaturdifferenser fram och det anges hur många timmar av året denna differens råder. Extra många punkter tas ut där effektbehovet är som störst, dvs. de få timmar det är som kallast. Effektbehovet räknas sedan ut vid alla dessa tidpunkter för att ge oss varaktighetsdiagrammet.

Varaktighetsdiagrammet samt punkternas värden finns bifogade. Med hjälp av areaberäkningar från diagrammet samt genom att använda värmefaktorn får vi fram delen elvärme som behövs.

Elvärmen, arean av den delen som värmepumpen inte täcker: 304,625 kWh. Värmen som värmepumpen ska producera: 12400 (värmebehov hus 17) – 304,625 = 12095,4 kWh. Elåtgång till värmepumpen per år: 12095,4/2,5 = 4838,15 kWh. Total elåtgång per år: 304,625+4838,15 = 5142,8 kWh.

Det gemensamma systemet för värme och varmvatten baseras på fliseldning. Företaget LT Enertgiteknik levererar en helhetslösning MaxiCont som inkluderar allt som behövs från elkoppling till kulvertkoppling. Även en smakfull träbeklädnad som smälter in i miljön ingår om man så önskar.

Fastigheterna behöver totalt en effekt in på 18*7,5kW=135kW. Kulvertförlusterna är, enligt nedan, 11kW. Således ska pannan kunna leverera 146kW. Med en pannverkningsgrad på 80% behöver bränsleeffekten vara 146kW/0,8=180kW och då är totala verkningsgraden bränsle – fastighet 135/180=75%

Med tidigare beräkningar för energi- och effektbehov (Bilaga 2) är det totala energibehovet för värme och varmvatten för området 284700kWh. Bränslets energiinnehåll behöver då vara

284700kWh/0,75=379600kWh.

Antag bulkvikt för flis 250kg/m3 och fuktinnehåll 17% (torrflis). Energiinnehållet blir då (enligt H Alvarez, ”Energiteknik”)

19,22-0,217*17=15,5MJ/kg=4,3kWh/kg

och den volym som behövs

379600kWh/år/(4,314kWh/kg*250kg/m3)=352m3 per år.

Med en silo för bränslelager på 23m3 behövs 15 leveranser per år, med något högre frekvens på vintern och något lägre på sommaren.

Värt att notera är att för så små biobränsleanläggningar som 150kW krävs inga särskilda tillstånd samt att man måste tänka på att bränslelastbilarna ska få plats att vända.

Under projektavstämningen den 24/2 bestämdes kulvertsystemets längd till 500 m och servisledningarnas sammanlagda längd till 210 m. Den totala effekt som dessa ledningar måste kunna transportera är samtliga hus maximala effektbehov. Effektbehovet och temperaturskillnaden i fram- och returtemperatur på fjärrvärmevattnet bestämmer vilket flöde som måste finnas i ledningarna. (Tf är här satt till 70˚C och Tr till 40˚C.)

Genom formeln

beräknades detta flöde till 1,28 l/s vilket motsvarar 0,0013 m3/s. Detta värde ledde i sin tur fram till vilken diameter på kulverten som är lämplig. För två rimliga gränsvärden på vattenhastigheten nämligen 0,5 och 1,5 m/s beräknades en största och en minsta diameter på kulverten enligt:

Dessa var 57,5 och 33,3 mm och en kulvert med diametern 50 mm verkade som ett bra val. För servisled­ning­arnas del ledde ovanstående beräkningar till en lämplig diameter på mellan 7,1 och 12,3 mm men så små ledningar finns inte i det använda referensmaterialet (Handbok, Ecoflex Kulvert). Därför är resterande beräk­ningar för servisledningarna gjorda på ledningar med 25 mm diameter. Alla ledningar är tvårörsledningar av typen Ecoflex Thermo från Wirsbo.

För dessa diametrar på ledningarna uppgår effektförlusterna till 17 W/m i kulvertarna och 12 W/m i servisledningarna. Detta kunde utläsas ur diagram på sida 17 i Handbok, Ecoflex Kulvert. Sammanlagt över hela ledningssystemet blir det 11020 W. Med hjälp av denna handbok kan man även övertyga sig om att de valda kulvertarna klarar av att transportera hela effektbehovet (med marginal) ur diagram på sida 12.

Kommentar: I samma diagram kan man utläsa tryckfallet per meter i kulverten. Vid de förutsättningar som angetts ovan blir tryckfallet 0,27 kPa/m och sammanlagt 135 kPa. Vid ett samtal med Johan Schenning, Vattenfall Värme Uppsala, kom det dock fram att lämpliga värden för liknande system borde ligga mellan 0,1 och 0,2 kPa/m och under 50 kPa totalt. Detta går att uppnå genom en ökning av diametern på kulverten till nästa storlek, dvs. 63 mm. Dock bestämdes att rördimensionen skulle vara 50 mm på avstämningen den 24/2. Därför har denna dimension ändå valts.

Efter samtal med Karl Johansson, Grundfos Sweden AB, valdes cirkulationspumpen Grundfos UP 32-80 till fjärrvärmesystemet med hänsyn till gällande flöde och tryckförluster. Den har effekten 245 W.

Varje hus har en enskild mottagarstation för sitt fjärrvärmevatten. Anslutningen är mer eller mindre komplicerad beroende på befintligt värmesystem. Om det befintliga systemet är direktverkande el måste systemet först konverteras. Detta gäller tre av husen i Starbo. Resterande hus har redan vattenburen värme.

Eftersom Starbo ligger i ett relativt tättbebyggt område precis utanför Uppsala är kravet på att det ska vara en kilometer till närmaste bosättning svårt att uppfylla. Naturreservatet Hågadalen ligger söder om området och där är det inte möjligt att placera vindkraftverket. I öster ligger Flogsta och Uppsala. I väster och norr ligger bebyggelse i den omfattningen att vindkraftverket måste placeras en bra bit från Starbo för att uppfylla kraven. Kostnaden för dragning av kablar och infrastruktur för ett internt nät blir då mycket höga. För att ett internt nät skall vara en möjlig lösning så måste undantag från placeringsregeln godtas.

Ett alternativ är att placera vindkraftverket på en geografiskt mer lämplig plats och koppla upp det på elnätet. Det gör det möjligt att sälja el till nätet från vindkraftverket, och samtidigt koppla upp Starbo till elnätet och köpa tillbaka elen där. Denna lösning är krånglig och den ekonomiska lönsamheten beror på avtalet med elleverantören.

Dimensioneringen grundar sig på siffror från Marcus Berg, Institutionen för teknikvetenskaper, Uppsala Universitet. Effektbehov som vindkraftverket skall tillgodose: Hushållsel för samtliga fastigheter: 8.8 kW Effektåtgång för panncentral: 2 kW Effekt för cirkulationspump fjärrvärme: 245 W

Totalt: 11.045 kW

Räknar med en utnyttjandegrad på 25 % . Dimensionerad effekt med hänsyn till utnyttjandegrad: 44.18 kW 45 kW

Weibullfördelning av vind i Ultuna, Uppsala på 40 m höjd. Skalfaktor, c = 5.47 m/s Formfaktor, k = 1.94 Använd Mathematics Handbook s. 274

(Manwell, 2002)

För ett vindkraftverk i storleksordning 50 kW är ett torn på 40 m väl högt. Hastigheten skalas om till motsvarande på höjden 20 m.ö.h. via följande formel, där anger ytråheten, i detta fall antages spannmålsodling, = 0.05 m.

(Manwell, 2002)

Räknar ut arean för ett vindkraftverk på 50 kW.

Antar att vindkraftverket som köps in producerar den elenergi som behövs, dvs. 77200 kWh/år. Det vindkraftverk som köps in dimensioneras efter den uträknade rotorarean, inte efter märkeffekten.

Kostnaden för värmepumpen med vald elpatron är 36500 + moms = 45625 kronor. Installationen av värmepumpen skulle hos Västgöta installation kosta ungefär 3500 kronor. Därtill kommer kostanden för den el som behövs, dels för att driva pumpen och dels för att stödvärma vid riktigt kalla dagar,

Inköp: 45625 kr. Installation: 3500 kr. Total elåtgång, elvärme samt pumpel: = 5142,8 kWh.

Värmepumpen producerar 12095,4 kWh värme per år.

Kostnad per år beräknas med annuitetsmetoden:

Kostnad per producerad kWh: 0,75 kr

För detaljerade beräkningar, se Bilaga Värmepumpekonomi.

Priser gällande flispanna kommer från LT energiteknik. Själva pannan kostar 475000 kronor. Installationen är billig i sammanhanget, endast 4000 kronor. Frakten kostar 20000 kronor. Underhållskostnaderna beräknades utifrån följande antaganden: En timmes arbete fem dagar i veckan till en timlön på 300 kronor. Antagandet är förmodligen i överkant varför reparationskostnaderna inkluderas i denna summa. Övrigt arbete som inkluderas är t.ex. askutmatning, sotning och bokföring. Bränslekostnaderna är beräknade till 65240 kronor per år.

För att beräkna kostnaderna av kulvertdragningen användes ett datorprogram vid namn EkoDim. I detta matas förutsättningar som grävdjup, kulvertens dimensioner och typ av mark in och utifrån detta beräknas kostnaden för dragningen. Resultatet av en körning gav att nedgrävningen av kulvert samt servis skulle kosta 336000 kronor/ km dvs. 240000 kr i vårt fall. Själva ledningarna kostar 291 respektive 564 kr/m exkl. moms vilket ger en totalkostnad på 429000. Sammanlagt ger detta en kostnad på 669000 kr.

Pumpen som valdes ovan kostar 2400 kr exkl. moms. Detta ger en totalkostnad på 3000 kr. Anslutning av fjärrvärme till hus Enligt rapporten ”Vad kostar småhusanslutningen” från Svensk Fjärrvärme så kostar det mellan 25000 och 28000 att ansluta ett fjärrvärmesystem till ett befintligt hus. För Starbo antas den lägre anslutningskostnaden på grund av att husen är nya. I de tre hus där det befintliga systemet är direktverkande el kostar det enligt Conny Ryytty på STEM ca 75000 kr per hus att konvertera till ett vattenburet system.

Total kostnad inköp: 899780 kr Total kostnad transport: 20 000 kr Total kostnad installation: 469500 kr Underhåll: 78000 kr per år

Flispannan producerar 284700 kWh värme per år.

Kostnad per år beräknas med annuitetsmetoden:

Kostnad per producerad kWh: 0.82 kr

För detaljerade beräkningar, se Bilaga Värmeekonomi.

Utifrån den dimensionerade arean köps ett begagnat vindkraftverk på den danska marknaden. Vindkraftverket är av storleken 150 kW eftersom vi dimensionerat efter den area som relateras till vinden i Uppsala istället för märkeffekten på turbinen.

Förutom kapitalkostnaden för verket tillkommer kostnader för transport, installation och underhåll. Det är rimligt att anta att ett verk av den här storleken är så pass litet att det nedmonterat får plats på en lastbil.

Det vindkraftverk som valts kostar 200 000 kr. Räknar med en ursprunglig livslängd på 25 år. Produktionsåret för snurran är 1991. Det är då 11 år kvar på ursprunglig livslängd. Antas att snurran genomgått renovering innan köp, och detta förlänger livslängden med ett par år. Räknar med en livslängd på 15 år från och med 2005.

Total kostnad inköp: 600 000 kr Total kostnad transport: 10 000 kr Total kostnad installation: 43 600 kr Underhåll: 45 000 kr per år

Vindkraftverket producerar 77200 kWh el per år.

Kostnad per år beräknas med annuitetsmetoden:

Kostnad per producerad kWh: 1.45 kr

För detaljerade beräkningar, se Bilaga Vindekonomi.

Beräkningarna för emissionerna från Starbos fjärrvärmesystem baseras på LCA-studier, dels på behandlingen av biobränslet, dels på produktionen av kulvertar. Det bedöms att cirkulationspumpen samt mottagarstationerna i husen är så pass små att de inte bidrar med några relativt stora emissioner. Därför har dessa ignorerats i studien. LCAn på bränslet (genomförd av institutet för träteknisk forskning) behandlar hela kedjan från skog till förbrukning. Den är egentligen gjord för sågat virke istället för flis. Här har antagits att utsläppen är likvärdiga för de båda trävarorna. Enligt antagande består 50 % av kulvertens vikt av lågdensitetspolyeten och resterande av högdensitetspolyeten. I Livscykelanalys – en metod för miljöbedömning av produkter och tjänster (CJ Rydh et al, Studentlitteratur, 2002) finns LCA-data för dessa material. Resultat redovisas i Bilaga Miljöanalys.

Resultatet av LCA-bedömningen visar att energianvändningen för fjärrvärmesystemet är 816 000 MJ, och utsläppen omräknat i koldioxidekvivalenter är ca 15 000 kg CO2-ekvivalenter.

För att få ut energiverkningsgraden för det gemensamma systemet adderas energiåtgång för bränsleframställning, bränsletransport och eldrift till de tidigare beräknade 379600kWh/år. Även här används miljöprofilen för sågat virke från institutet för träteknisk forskning, se Bilaga Energiverkningsgrad. Därur erhålles

1835MJ/m3=510kWh/m3.

Med 352m3 bränsleåtgång per år blir det

510kWh/m3*352m3=179500kWh.

Bränslet transporteras med lastbil från Enköping 2*6mil 15 gånger om året, dvs. 180mil/år. Med antagande att lastbilen är medeltung och med motor av typ Euro 1 så drar den 0,5kWh/tkm. Det ger

1,8tkm/år*0,5kWh/tkm=0,9kWh/år, vilket är försumbart i sammanhanget.

Eldriften är

2kW*8760h/år=17520kWh/år.

Total tillförd energi är således

(379600+179500+17520)kWh/år~=576600kWh/år

för att få 284700kWh/år till fastigheterna. Energiverkningsgraden blir därmed

284700/576600=49,4%.

En av de stora fördelarna med en värmepump är att efter installationen är den praktiskt taget underhållsfri. Det enda som kan hända är att någon elektrisk detalj går sönder, då får man tillkalla reparatör. Detta är däremot så ovanligt att det inte är något som man behöver ta hänsyn till. Värmepumpen blir på så vis ett mycket ”enkelt” alternativ för husägaren. Lågt underhåll och lång livslängd är egenskaper som gör att många väljer att installera en värmepump för att dra ner på elräkningarna.

Flispannan behöver i princip daglig tillsyn, och en del underhåll. Askan efter förbränningen skall tas omhand, lämpligen kan den läggas på kompost eller som gödning i rabatter och tillförseln av bränsle måste kontrolleras. Systemet måste sotas. Bokföring, bränslebeställningar och dylikt tillkommer också som arbetsuppgift.

Ett vindkraftverk behöver regelbunden service för att fungera tillfredställande. Varje år bör man serva det för att undvika driftstopp och onödigt slitage. Fel kostar mycket pengar både i form av utebliven energiproduktion och reparationskostnader. Kostnaderna för reparationer kan också vara mycket olika från år till år. Det är därför en bra idé att lägga undan pengar till eventuella stora haverier. En annan sak som kan vålla problem och kostnader är isbildning på vingarna på vintern, speciellt på ett så gammalt verk som valts här. Det har antagligen ingen värmeslinga i vingarna. Detta måste åtgärdas både på grund av nedsatt produktion och olycksrisken.

Värmepumpen känns som ett bra alternativ där man effektivt får ner sin elförbrukning. Dock skulle det vara lättare att få en ännu bättre lösning med större andel producerad värme från pumpen och billigare helhetskostnad om vi inte kombinerade både frånluft och mark/bergvärme. Även om det energimässigt är en god tanke att utnyttja allt på en gång blir det i vårt fall så att det begränsar vårt utbud. Valet blir en pump som kombinerar allt, men inte är optimerad till vårt system.

Ytterligare en tanke som är värd att beakta när man väljer en värmepump är att även om man drar ner sitt elbehov så binder man samtidigt upp sig till ett fortsatt elberoende. I Sverige idag behöver vi få ner den stora delen el som används till att värma våra hus. El som är högvärdig energi bör användas till annat än värme. Med värmepumpen drar vi visserligen ner förbrukningen, men vi går inte ifrån den. Hade valet istället fallit på en helt el-oberoende värmekälla hade steget bort från elen varit större.

Det gemensamma systemet för värme och vatten baseras i ovanstående beräkningar enbart på flis året runt. Detta är dock inte särskilt bra ur ekonomisk och miljömässig synpunkt då sommardrift (lågt effektbehov) innebär att pannan slår på och av flera gånger om dagen. Vid just start och stopp har man som störst emissioner och som lägst verkningsgrad. Därför skulle man kunna installera en elpanna i kombination med flispannan och stänga av flispannan under sommaren. En sådan kombination går bra att ha i MaxiCont. Vindkraftverket kommer förmodligen att ge mer el än nödvändigt och kan i så fall täcka det extra elbehovet.

För vinterdrift är ett flisbaserat värmesystem ett bra alternativ med låga emissioner och lågt elberoende. Den miljötänkande bostadsföreningen bör uppskatta att bränslet kommer från restprodukter som alltså skulle ha behövts tas om hand på ett eller annat sätt ändå.

Den totala verkningsgraden på ca 50% får anses vara helt ok.

Nackdelarna med en flisvärmecentral kan vara den relativt omfattande tillsynen som kräver att det finns någon som är villig att se till den i stort sett varje dag och att någon måste sköta kontakter med bränsleföretagen osv. Dagens ordförande i bostadsföreningen kan inte vara ansvarig för det för all framtid.

I beräkningarna har subventioner för förnybar produktion ignorerats. Detta har gjorts på grund av att dessa ofta ändras. Men självklart har de stor betydelse för om vindkraften är ett lönsamt energislag eller inte. Det som i vår kalkyl haft störst betydelse är vindkraftverkets placering. Nu blev placeringen en kilometer bort, vilket medför kabelkostnader på omkring en halv miljon. Sannolikheten för att vi får dispens från reglerna om att inte placera vindkraftverk i tättbebyggda områden är ganska liten. Skulle vi behöva placera vindkraftverket längre bort innebär varje extra kilometer väldiga ytterligare kostnader. Alltså blir det fort mycket olönsamt om du inte installerar mycket kraftigare effekter. Starbo är nog i det här avseendet väl litet. En tanke vore att fler av bostadsområdena i området slog sig samman. Kanske att det då skulle bli lönsamt.

Ur en ekonomisk synvinkel har det visat sig att värmepumpen är det bästa alternativet. Dock är det lite svårt att veta om vårt resultat är tillförlitligt. Prisskillnaden mellan värmepumpen och flispannan är så pass liten att de approximationer som antagits under projektets gång lätt kan ändra resultatet. Dessutom är värmepumpen framräknad för ett hus, ett litet system. Det gemensamma är däremot beräknat på alla fastigheterna vilket medför att man inte kan vara säker på att värmepumpar i ett stort system ger samma resultat i kostnad per kWh som för en enskild värmepump.