Ett viktigt skäl för byggande av lågenergihus är dess potential att minska bebyggelsens klimatpåverkan genom att radikalt minska behovet av tillförd energi och därmed minska utsläppen av koldioxid från fossila bränslen som används för elgenerering och värmealstring. I Figur 1 visas en jämförande värdering av koldioxidutsläpp från ett traditionellt hus och ett lågenergihus för tre olika uppvärmningsalternativ: el, fjärrvärme och pellet [Karlsson 2006]. Jämförelsen visar att el eller pellets ger minsta utsläpp av koldioxid förutsatt att elen är producerad i svenska anläggningar. Med europeisk marginal-el, vilket kan tillämpas vid jämförelse mellan enstaka hus, så bidrar pellets med minst koldioxidutsläpp och det blir dessutom ingen skillnad i utsläpp mellan ett traditionellt hus och ett lågenergihus. Mängden pellets blir dock större i det traditionella huset vilket indirekt kan ge ett högre koldioxidutsläpp då den inte kan användas för att ersätta fossilbränslen någon annanstans i energisystemet. Diagrammet visar i princip i vilken utsträckning olika energisystem innehåller fossilbaserad värme- och elproduktion, en kunskap som det är viktigt att inkludera i en systemanalys av hur lågenergihus kan globalt bidra till en minskad användning av fossila bränslen.
0
Figur 1. Koldioxidutsläpp från ett lågenergihus (62,5 kWh/m2,år) och ett nytt svenskt standardhus (142 kWh/m2,år) [Karlsson 2006].
Antalet lågenergihus i det totala bostadsbeståndet kommer inom en överskådlig framtid att vara en droppe i havet jämfört med alla pågående och planerade projekt som fortsätter i traditionella spår och framförallt i jämförelse med antalet redan byggda hus. Skall energianvändningen i Sverige minska till hälften av dagens nivå till 2050 så måste detta mål beaktas redan i dagens projekt för renovering av befintlig och uppförande av nya byggnader. Det har i tidigare studier visats den specifika energianvändningen i nya byggnader i slutet på 1970-talet hade uppnåtts i hela bostadsbeståndet trettio år senare [Nässén and Holmberg 2005]. Med en tidskonstant på 30 år kommer bebyggelsen att på 2030-talet att ha samma specifika energianvändning som dagens nybyggda hus. Dessutom tillkommer el som används i hushåll och lokaler, vilket är en post som stadigt ökat under alla år fram till idag. Det är alltså en stor samhällelig utmaning att halverad energianvändning till 2050. Vilka kraftfulla åtgärder kan väljas för att nå halveringsmålet? Givetvis finns det aktörer som förespråkar byggande av
lågenergihus som en sådan åtgärd men det finns också företrädare för andra ståndpunkter som menar att dagens energiprestanda är tillräcklig i kombination med att minska andelen köpt energi med effektiva värmepumpar. Ett annat argument som framhålls från aktörer inom energibranschen är att ett för lågt värmebehov i hus byggda inom fjärrvärmenäten hindrar elproduktion i kraftvärmeverk som ur ett europeiskt systemperspektiv kan bidra till sänkning av koldioxidutsläpp i den europeiska elproduktionen genom export av svensk el producerad från biomassa och avfall.
Ett enkelt räkneexempel kan illustrera en uppseglande intressekonflikt mellan byggande av lågenergihus och utökad kraftvärmeproduktion – d.v.s. mellan energianvändning och energitillförsel. Antag, som hypotes att hela
bostads- och lokalbeståndet (exklusive industrilokaler) i Sverige över en natt blir lågenergihus2, detta skulle medföra att energibehovet för uppvärmning och tappvarmvatten sjunker från 80 TWh3 till 25 TWh, vilket är en minskning med 70 %. I Sverige försörjs (2006) 80 % av flerbostadshusen, 60 % av lokalytan och 10 % av småhusen med fjärrvärme vilket motsvarade 42 TWh [Svensk Fjärrvärme 2008]. I fjärrvärmeproduktionen härrör 20 TWh värme från kraftvärme [Svensk Fjärrvärme 2008]. För att kunna utnyttja dessa 20 TWh värme från kraftvärmeproduktion i ett lågenergihus-scenario skulle distributionsnäten behöva byggas ut för att kunna ansluta 80 % av den totala bebyggelsen och utan att samtidigt öka produktionen totalt. Detta enkla exempel med makroskopiska nationella värdesiffror återspeglar inte vad som inträffar lokalt i fjärrvärmenät.
Ett liknande räkneexempel kan göras utifrån målet att till 2050 halvera energianvändningen i bebyggelsen. Det innebär att behovet av värme och tappvarmvatten blir 40 TWh (räknat från 2006 års nivå på 80 TWh)4. Om kraftvärme prioriteras så kommer 20 TWh värme från kraftvärme att kunna användas inom i stort sett det bestånd av småhus, flerbostadshus och lokaler som idag är anslutna till fjärrvärmenät (och idag använder 42 TWh fjärrvärme). Enligt 2007 års prognos för planerad kraftvärmeproduktion i Sverige så förväntas den byggas ut med 1500 MW el vilket motsvarar en årskapacitet på ungefär 20 TWh värme. I ett sådant scenario så skulle 100 % av bebyggelsen behöva vara ansluten till fjärrvärme 2050.
Exemplen ovan visar att lågenergibebygglese och kraftvärme kan samexistera i det svenska energisystemet men att det är viktigt att på lokalnivå göra en samtidig planering av bebyggelse och energitillförsel för att optimera systemen utifrån både kostnader, resurser och utsläpp av koldioxid i ett europeiskt perspektiv. Det finns också möjlighet att använda fjärvärme för process-värme och –kyla vilket inte har övervägts här. I ett av de planerade doktorandprojekten kommer vi att studera hur en samtidig planering av bebyggelse och energisystem kan utformas. Studien består av två delar: en del med fokus på aktörsprocesser och en delstudie med fokus på systemmodeller och optimering av resurser.
Att välja energiteknik för lågenergihus – exempel från en socioteknisk studie av Lindås Park
Radhusen i Lindås Park planerades och byggdes dels som ett byggprojekt med totalentreprenad och dels som ett forskningsprojekt. De båda delarna sammanlänkades via seminarier, så kallade ”forskar- och aktörsseminarier”
vilka skulle stödja projekteringen med att utreda olika frågor om val av teknik och gemensamt utarbeta ett kvalitetsdokument. Kraven på de tekniska installationerna var i många fall högre än vad entreprenören och underkonsulterna hade erfarenhet av från andra projekt. Till seminarierna kallades därför experter så att olika frågeställningar kring tekniska lösningar kunde penetreras på djupet. Ett av seminarierna var också tänkt att ta upp frågor om boende och beteende men detta kom aldrig till stånd. [Glad 2006]
I Glads avhandling [Glad 2006] ges ett exempel på teknik som avhandlades på ett seminarium. Valet gällde teknisk lösning för att tillföra extra värme under vintern då fri värme från solen, människorna i husen och spillvärme från apparater inte skulle räcka till för att hålla en önskad inomhustemperatur. Enligt svenska byggregler ska värme återvinnas till 80% i FTX-system men för Lindås-husen ställdes krav på en högre verkningsgrad, 90 %, för att kunna uppfylla målet om 35 kWh/m2 i årlig energianvändning. Under
projekteringen var det osäkert om det fanns produkter på marknaden med så hög verkningsgrad. SP (Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut) fick i uppdrag att testa produkterna i inkomna anbud. Detta förfarande innebar att företagen var tvungna att utveckla sina produkter för att uppfylla de ställda kraven.[Glad 2006]
Exemplet visar att samverkan mellan forskarna och entreprenörerna via seminarierna har varit viktigt för att nå uppsatta mål i projektet.
Värmeväxlaren i Lindås-husen utrustades med ett eftervärmningsbatteri på 900 W för avisning av
värmeväxlaren kalla dagar och eftervärmning av tilluften kalla dagar då solinstrålning och internt alstrad värme från människor och apparater inte räcker för att uppnå önskad inomhustemperatur. Det rådde oenighet i
2 Här används 43 kWh/m2,år vilket är maximal specifik energitillförsel [Forum för energieffektiva byggnader 2007)]
beräknad för total uppvärmd area i småhus, flerbostadshus och lokaler [Statistiska Centralbyrån (2007)].
3 Energianvändning i småhus, flerbostadshus och lokaler för 2007 [Statistiska-Centralbyrån 2007].
4 Egentligen gäller halveringen från 1995 års nivå.
seminariegruppen om hur stort behovet skulle bli att använda batteriet som extra uppvärmning. Resultaten från mätningar i husen visar i Figur 2 att användningen i praktiken var frekvent under vintern och varierande mellan 400 till 4000 timmar i de olika hushållen under det första året [Karlsson 2006]. Resultaten visar på betydelsen av att hushållen hade tillgång till denna eftervärmningsfunktion för att aktivt kunna påverka inomhusklimatet framförallt under den först tiden innan de lärt sig reglera inomhustemperaturen [Isaksson and Karlsson 2006].
Detta har förmodligen haft stor betydelse för hur hushållen att hushållen har uppfattat sitt boende så positivt även om det under första året inneburit högre energianvändning än förväntat. Leverantören av värmeväxlare till Lindås Park har senare utvecklat ett vattendrivet förvärmningsbatteri som kan kopplas till fjärrvärme eller annat vattenburet system vilket har använts i lågenergihus byggda efter Lindås Park.
Heating energy
0 700 1400 2100
0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760
EE1 B7 EE1 B8 EE1 B9 EE1 B10 EE1 B11 EE1 B12
Figur 2. Varaktighetsdiagram för el till värmebatteri (900 W) och fläktar i fem av radhusen. [Karlsson 2006]
Ett andra exempel på hur teknikfrågor processats i seminariegruppen kan illustras med valet av solvärmesystem i Lindås Park. Den till seminariet inbjudna experten på solvärmeteknik förespråkade en gemensam
solvärmeanläggning för hela området. Vinster med ett gemensamt system är mindre värmeförluster från en stor gemensam tank jämfört med lägenhetsvisa små tankar och att kostnaderna för att installera en stor tank blir lägre än för flera små. Nackdelar är större förluster i ledningar från centralen till lägenheterna och kostnader för individuell varmvattenmätning samt skötsel av den gemensamma anläggningen. Utan att göra en djupare utredning av olika tekniska lösningar med solvärme beslutades om individuella lägenhetssystem och att VV-konsulten fick ansvaret att finna ett lämpligt system. I ett tidigt skede antogs att 60 % av tappvarmvattenbehovet skulle täcka av solenergi, i projekteringen var kravet satt till 50 % solenergi (och 50% från elpatron i beredaren).
[Glad 2006]
Figur 3. Energidiagram med fördelning på varmvattenanvändning och kompensering av tankförluster samt hur värme tillförs via elpatron och solfångare. [Boström, Glad m. fl. 2003]
Solvärmesystemen i Lindås Park var som nämnts ovan inte föremål för en djupare utredning och ingick inte heller för detaljerad utvärdering i projektet. Detta studerades istället av en doktorand inom forskarskolan i fyra av radhusen [Boström 2006]. Där framkom det att bidrag till uppvärmningen av tappvarmvatten var i medeltal 37 % under första året, vilket är en betydligt lägre andel än projekterat. I diagrammet i Figur 3 visas
varmvattenanvändning och tillförsel i de fyra radhusen. Tankförlusterna var stora dels p.g.a för dålig
tankisolering och dels för att termostaten i många tankar var inställd på 70°C. Den borde inte vara över 60°C för att uppnå större solvärmeandel. Från intervjuerna med de boende framkom att de saknade kunskap om drift av solvärmesystemet och därför inte uppmärksammat att de skulle kunna ändra termostatens inställning [Boström, Glad m. fl. 2003].
I exemplet med solvärmesystemet så framgår hur tekniklösningen inte blev riktigt utredd och där utnyttjades inte seminariedeltagarnas kunskaper. Tekniken behandlades som färdig och leverantörens garantier om prestanda behövde inte prövas speciellt i projektet. [Glad 2006]
I cirkeldiagrammet i Figur 4 framgår att det i medeltal i hus som inte är gavellägenheter används 20 % av den totala elanvändningen till uppvärmning av tilluften och 23 % till varmvattenberedning som tillsammans utgör 3240 kWh. Ett argument som framhålls från byggsektorns aktörer är att traditionella hus med markvärmepump har lika låg elanvändning som dessa hus. Man ifrågasätter därmed behovet av att införa nyare byggteknik om det inte resulterar i minskad elanvändning.
1540; 20%
600; 8%
1700; 23%
3700; 49%
Heating Ventilation DHW Household appliances
Figur 4. Cirkeldiagram som visar elanvändningens fördelning mellan uppvärmning, drift av
ventilationen, varmvattenberedning och hushållsel. Värdena anger medelvärden för antalet kWh och den procentuella andelen i radhus i längorna (ej gavelhus). [Karlsson 2006]
Om vi tänker oss scenariot med 100 % lågenergibebyggelse som använder el till uppvärmning och
varmvattenberedning så skulle elanvändningen öka från dagens 21 TWh till 25 TWh vilket också skulle gälla för ett scenario med traditionellt byggda hus med markvärmepump. Konsekvensen är att elanvändningen ökar från dagens nivå och skulle då innebära minskad möjlighet till elexport och även kraftvärmeproduktion eftersom fjärrvärme ersätts med el. I valet av energiteknik för värme till rumsuppvärmning och varmvattenberedning så är det viktig lyfta frågan till en systemnivå så att man kan analysera konsekvenserna av de olika
uppvärmningsalternativen i ett europeiskt systemperspektiv som sträcker sig fram till 2050.
För att realisera verkligt låg energianvändning i bebyggelsen så måste man hitta alternativ till el för spetsvärme och beredning av tappvarmvatten i lågenergihus. I ett av doktorandprojekten kommer vi att studera
energitekniker med så lågt exergivärde som möjligt. Studien inleds med en kunskapsöversikt för att ta reda på vilka tekniker som är under utveckling och som kan vara kommersiella om tio år. I studien ingår att göra beräkningsmodeller för olika system och simulera och optimera både hushållsegna och områdesgemensamma värmeanläggningar. Systemen kan också utformas för att ta hand om kyl-laster. Syftet är att utvärdera systemens miljöpåverkan och deras kostnadseffektivitet.