Off-grid hus

En simuleringsmodell för hus utan koppling mot elnätet

Off-grid house

Computer aided model to simulate a house without grid connection

Bernhard Kuehn

Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap, Miljö- och energisystem

Högskoleingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik

180 hp

Handledare: Magnus Ståhl

Examinator: Lena Stawreberg

Datum: Juni 2014

i

Sammanfattning Den Europeiska unionen har genom direktivet Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) gett sina medlemsländer i uppdrag att minska energiåtgången för byggnader. Detta ingår i satsningen för att minska klimatpåverkan i hela EU. Nybyggda hus innebär bäst förutsättningar att minska energiförbrukningen genom att den senaste tekniken kan utnyttjas ihop med utformning av husen enligt de nyaste forskningsrönen.

Syftet med det här arbetet är att undersöka om det är möjligt att bygga ett hus som är självförsörjande på el i Sverige genom att använda beprövad teknik. Undersökningen görs genom att bygga en datormodell av ett hus i Simulink för att beräkna energibehov under januari 2010 till december 2013. Huset är 160 stort och står i Karlstad, Värmland. För att kunna bedöma ekonomin för modellhuset jämförs det även med fem energieffektiva småhus från olika svenska hustillverkare.

Den använda tekniken i huset är omfattande. De viktigaste komponenterna är en ackumulatortank på 9,3 , litium-jon batteri på 58 kWh, ett vindkraftverk på 2 , solceller

på 58 och solfångare på 46 . Modellhuset liknar i sina egenskaper ett hus som har byggts i Tyskland och jämförs också mot detta avseende energiförbrukning och kostnader.

Modellen använder sig av meteorologiska mätdata som Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut (SMHI) ställer allmänheten till förfogande. Data finns för varje timme under beräkningsperioden.

Beräkningarna visar att 100 % självförsörjningsgrad på el är möjligt med den valda tekniska utrustningen genom att begränsa elanvändningen till ungefär 2 000 kWh/år. Värmeförsörjning tillgodoses med hjälp av solfångarna och ackumulatortanken. Självförsörjningsgraden på solvärme visar sig hamna omkring 58 % av värmebehovet. Den resterande värmen kommer från 4,1 stjälpt björkved som eldas i en vattenmantlad vedpanna och motsvarar ungefär 6 150 kWh. Denna mängd ved kostar i dagsläget ungefär 3 000 kr per år.

Datormodellhuset använder sig av mycket teknik vilket medför att priset för att uppföra huset blir 3,5 miljoner kr. Ett, i storlek och energibehov, jämförbart småhus kostar i snitt 3,1 miljoner kr. Ett sådant småhus är dock inte självförsörjande på el. När man bygger ett hus som ligger långt från närmaste elanslutningspunkt behöver även kostnaden för anslutningsarbete beaktas. Ligger den närmaste anslutningspunkten 1 800 meter eller mer från den tänkta byggplatsen blir enbart kostnaderna för att ansluta huset till elnätet minst 313 000 kr.

Husbyggaren som vill bli oberoende av tillgängligheten av elnätet eller planerar att bygga ett hus som ligger långt ifrån en anslutningspunkt till elnätet har med resultatet från undersökningen ett verktyg för att ta fram planer för sitt bygge. Den undersökta husmodellen sänker driftkostnaderna och håller arbetsinsatsen nere för att förse huset med värme och varmvatten.

ii

Abstract The European Union has through the Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) given a

mandate to its members to reduce energy consumption of buildings. This is part of the effort to

reduce the carbon footprint across Europe. New houses have the best conditions to reduce their

energy consumption by utilizing the latest technologies.

This work examines whether it is possible to build a house that is self-sufficient in electricity in

Sweden using proven technology. The survey is done by building a computer aided model of a

house in Simulink to calculate energy requirements during January 2010 and December 2013.

The modelhouse is 160 and use climate data from Karlstad, Värmland.

The calculations show that a self-sufficiency rate of 100 % of electricity is possible with the

selected technical equipment by limiting the power consumption to 2 000 kWh per year. Heat

supply is done by using solar collectors and a storage tank. Self-sufficiency for the heating is up

to 58 %, wooden heating supplies the rest.

iii

Förord Det här arbetet har genomförds i samband med utbildning till Högskoleingenjör i energi- och miljöteknik.

Ett speciellt tack till Magnus Ståhl, universitetslektor på institutionen för ingenjörs- och kemivetenskap, som var handledare till detta arbete och bidrog med sakkunskap, tålamod och goda råd till det slutgiltiga resultatet. Ytterligare ett tack till Markus Rinio, professor på institutionen för ingenjörsvetenskap och teknik, som hade idén till arbetet. Stort tack även till Zara Hedelin och Per Iverlund för hjälp med att rätta svenskan samt Ingrid Ranke för hjälpen med engelskan.

Arbetet har presenterats på det årliga examens- och forskningssymposiumet ExFo vid Karlstads universitet för en expertpublik och diskuterats på ett seminarium. I arbetet ingick även en opponering mot ett annat examensarbete.

Karlstad, juni 2014

Bernhard Kuehn

iv

Innehåll

Introduktion ......................................................................................................................................................................... 1

Metod ...................................................................................................................................................................................... 3

Solstrålning ...................................................................................................................................................................... 3

Elsystem ............................................................................................................................................................................ 6

Huset ................................................................................................................................................................................... 8

Ekonomi ......................................................................................................................................................................... 12

Resultat ............................................................................................................................................................................... 14

Diskussion .......................................................................................................................................................................... 24

Slutsats ................................................................................................................................................................................ 27

Fortsatt arbete ............................................................................................................................................................. 27

Referenser: ......................................................................................................................................................................... 28

Appendix A: Nomenklatur ............................................................................................................................................... I

Appendix B: Begrepp ...................................................................................................................................................... III

1

Introduktion Alla länder inom Europeiska unionen har genom direktivet Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) [1] fått i uppdrag att se till att byggnaders energiåtgång minskar. Även Sverige har åtagit sig att omsätta direktivet. Målet i EPBD är att alla byggnader så småningom ska bli nära nollenergibyggnader vilket innebär att de har mycket bra energiprestanda och använder förnybar energi i stor utsträckning.

När man bygger nya hus finns det helt andra förutsättningar för att bygga energisnålt än när gamla byggnader modifieras. Huset byggs från grunden och det senaste inom energieffektivisering kan beaktas. Därför är det viktigt att undersöka vilka möjligheter som finns för att sänka energibehovet i nya hus. Det finns redan idag olika koncept för husbyggande som sänker energiförbrukningen avsevärt. Passiv-, nollenergi- eller plusenergihus är möjliga sätt att minska energiåtgången på jämfört med dagens standard för husbyggnation. Intresset för de hustyperna har ökat under de senaste åren och antalet genomförda projekt blir allt fler, enligt Sveriges Centrum för Nollenergihus (SCN) [2]. Passivhuskraven tas fram av SCN och beskriver förutsättningarna för att ett hus får räknas som passivhus. Kraven i energiförbrukning medför att isoleringen är ganska omfattande, vilket medför ökade kostnader för isolering under byggfasen men minskade kostnader för energin under driften [3].

Alla hus använder sig delvis av solen som energikälla: Solen levererar värmen genom till exempel fönster och kan hjälpa till att värma varmvatten genom solfångare. Den energin som kommer från solen behöver inte köpas in. På så sätt kan primärenergibehovet för huset sänkas. Det kvarstående energibehovet i energisnåla hus täcks i dagsläget oftast genom att använda el till en värmepump enligt en sammanställning av energieffektiva hus som Energimyndigheten gjorde [4].

Eltillgången på platsen för ett nytt hus kan av olika anledningar vara begränsad. Till exempel ökar en värmepump elbehovet under vintern när elnätet redan är belastat av alla andra förbrukare som också behöver el under vintern. En annan anledning till varför elbehovet kan vara svårt att tillfredsställa är att om man bygger ett hus i glesbygden och det är långt till närmaste anslutningspunkt är det dyrt att ansluta elen. För att komma ifrån elnätet och samtidigt minska primärenergibehovet kan det vara intressant att hitta nya lösningar för att förse hus med värme och el. Ofta går det även att byta till ett energislag som är mindre känsligt för prisökning, till exempel från el som inte framställs själv mot ved som kanske kan införskaffas kostnadsfritt på egen mark. De boende i husen måste även vara insatta i tekniken som används och vilka utmaningar den medför. En kakelugn måste kanske skötas om. Elen i batteriet kan ta slut och medför att elförbrukning måste inskränkas.

Ett möjligt koncept för ett hus som är självförsörjande på el och har litet primärenergibehov kan vara att i större utsträckning använda solen som energileverantör. En kort genomgång av befintlig litteratur visar att det finns arbeten som handlar om passivhus (nollenergihus, minergihus) och plusenergihus, så som [5] och [6]. Många koncept använder elnätet som en ”lagringsmöjlighet” för överskottsenergin de producerar under sommarhalvåret. Främst under vintern hämtar de sedan elenergin igen från nätet, när elbehovet redan är stort enligt Statistiska Centralbyrån (SCB) [8], med alla utmaningar som detta medför. Även under sommaren sker en viss förskjutning mellan elproduktion på dagarna och elbehov från nätet på kvällarna och nätterna.

För att minska belastningen på elnätet vintertid är det viktig att undersöka vilka möjligheter som finns för att sänka elbehovet just då. ”Energioberoende” hus kan vara ett sätt att minska belastningen på elnätet. ”Energioberoende” hus finns som olika pilotprojekt i Mellan- och Sydeuropa, till exempel från HELMA Eigenheimbau AG [9], Jenni AG [10] med flera. Där råder det dock helt andra klimatförutsättningar än här i Sverige. De befintliga projekten satsar oftast inte på en hundraprocentig självförsörjning. Antingen tillgodoses elbehovet inte till 100 % av solen eller så behöver värmebehovet kompletteras med ved, pellets eller en annan energikälla vilket är fallet i de ovan nämnda exemplen ([9] och [10]). Alla koncept av ”energioberoende” hus

2

kräver någon form av lagringsmöjlighet. Det kan vara stora batterier för att lagra el eller ackumulatortankar för att lagra värme. Att lagra energin ökar kostnaderna per energienhet och kräver teknisk utrustning som behöver installeras och underhållas. I gengäld är det tänkbart att ett självförsörjande hus som byggs i tätorter kan hjälpa till med att jämna ut belastningstoppar på fjärrvärmenätet eller elnätet genom att den ofta använder sig av lagringsmöjlighet i form av ackumulatortank eller batteri.

Som det nämndes tidigare är tillgång till el vintertid begränsad. Dessvärre är tillgång till förnybar energi från solen också begränsad vintertid. Mängden vindenergi som kan utvinnas med småskaliga kraftverk är inte heller stor. På något sätt måste energin kunna lagras för senare användning. Samtidigt skall den använda tekniken vara beprövad och prismässigt inom rimliga gränser. Detta utesluter experimentella energiutvinnings- och lagringsmöjligheter som exempelvis att spjälka vatten och utvinna vätgas eller att använda redox-flow batterier. Redox-flow batterier beskrivs av Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) [11].

Syftet med det här arbetet är att undersöka om primärenergibehovet för ett hus kan sänkas. Genom att bygga en datormodell av ett välisolerat hus ska en utvärdering göras huruvida det är möjligt att bygga ett ”elenergioberoende” hus i Sverige. Detta leder till lägre kostnader för att driva huset och en minskad miljöpåverkan under driften. All energi ska vara förnybar och komma från närområdet för att minska transportbehovet. Elenergin ska utvinnas på plats och ingen anslutning mot elnätet behövas. Projektet ska visa om ett ”energioberoende” hus med avseende på elen är möjligt och rimligt att bygga.

Målet med undersökningen är att visa genom modellberäkningar om elbehovet för ett 160 stort hus (för fyra personer) i Sverige, region Karlstad, enbart kan tillgodoses med sol och vind. Värmen och varmvattnet ska i största möjliga mån tillgodoses med solvärme och kompletteras med förnybar energi som härstammar från närområdet om solen inte räcker till. Elenergin ska främst räcka för att förse huset med driftenergi som till kök, belysning, tvätt, fläktar, pumpar med mera. Energibehov utöver detta, till exempel elbil, kan tillgodoses om möjlighet finns men undersöks inte närmare i det här arbetet. Husets kostnader ska sedan jämföras med ett liknande hus som byggts i tyska Lehrte av HELMA. Dessutom undersöks i vilken storleksordning kostnader för elanslutning i glesbygden behöver vara för att det ska vara lönsamt att satsa på bygget av ett ”energioberoende” hus. Även energieffektiva småhus från svenska hustillverkare ska jämföras prismässigt.

Inga koncept för hur livet i ett energismart samhälle kunde se ut kommer att tas fram. Projektet ska påvisa hur ett ”energioberoende” hus borde kunna utformas med hjälp av dagens teknik. Inga ritningar för husets kommer att tas fram. Fukttransport utreds inte. Hus som inte är kopplat mot elnätet har kanske inte heller möjlighet att använda kommunalt vatten och avlopp. Projektet undersöker dock inte om energin räcker till att förse huset med vatten och ta hand om avloppsvatten.

3

Metod Energibehovet för modellhuset kan delas in i två kategorier, dels behövs det elenergi för att driva pumpar, fläktar och vitvaror och dels behövs det värmeenergi för att värma tappvarmvattnet och säkerställa husets inomhustemperatur. För att få en rimlig uppfattning om hur energiflöden kring ett hus beter sig, räcker det oftast inte med att räkna på några enstaka dagar under året. Det finns för många parametrar som inverkar såsom utetemperaturen, internvärme, solinstrålning med mera för att statiska beräkningar skall ge en bra bild av situationen. Därför beräknas energiflödena dynamisk med hjälp av en datormodell som byggs i The MathWorks Inc. simuleringsverktyg Simulink [12].

En del av beräkningen ägnas åt solstrålning vilket behövs för att kunna uppskatta hur stor mängd el som fås utav solceller och vilken mängd värme som fås utav solfångarna. En komplicerande faktor är att solinstrålningen behöver beräknas för varje timme per dygn då solen rör sig med 15° per timme över himlen. Solcellernas och solfångarnas yta däremot är fast. Dimensioneringen görs utifrån behovet på vintern när tillgången på solinstrålning är som lägst.

Beräkning för batteriet görs också i Simulink med hjälp av en färdig modell för olika batterityper. Modellen tar hänsyn till hur batteriet beter sig när spänningen sjunker på grund av urladdning eller hur snabbt batteriet kan laddas.

Elproduktionen från vindkraftverket förenklas här till en funktion av effektkurvan.

Själva modellhuset har förenklats till en fyrkantig låda utan innerväggar. Huset står på en platta på marken utan källare eller vind. Värmeförluster genom golv, väggar och tak bestäms av värmegenomgångskoefficienten U som är en sammanvägning av alla material som utgör dessa byggnadsdelar, se Pettersson [13] För att förenkla beräkningen går det att räkna fram ett medelvärde på värmegenomgångskoefficienten för varje byggnadsdel. Detta medelvärde används i modellberäkningen.

Solstrålning Beräkning av solstrålning som träffar en godtycklig lutande yta är komplext. Den består av tre komponenter, direkt (även kallad beam radiation), diffus och reflekterad strålning. Beräkningen baseras framförallt på Duffie et al. [14] och Widén [15]. Liknande antagande som i Widén [15], så som konstant albedo, begränsat storlek för vid horisontnära beräkningar, ingen temperaturberoende för solceller med mera, gjordes för att kunna genomföra beräkningen. Strålningsdata härstammar från Sveriges meteorologiska och hydrologiska instituts (SMHI) databas STRÅNG [16], som utvecklades med stöd från Strålsäkerhetsmyndigheten och Naturvårdsverket. Data för global och direkt solinstrålning på timbasis är tillgängliga. Den globala strålningen är tillgänglig för en horisontell yta och den direkta strålningen är tillgänglig för en yta vinkelrät mot solen. Samband mellan global, direkt och diffus strålning mot en horisontell yta är då enligt (1).

( ) [

] (1)

Innan beräkning i modellen genomförs väljs följande parameterar: lutning av solceller/solfångare (β), azimutvinkel (γ) och albedo ( ). Dessa parametrar är sedan konstanta

under hela beräkningen. Beräkningsrelevanta utgångsvärden visas i tabell 1.

Tabell 1:Indata solberäkningen.

Latitud (Φ): 59,44° Longitud: 13,34° Albedo ( ): 20 %

Azimutvinkel ( ): 0°

Azimutvinkel ( ): 0°

4

Lutning ( ): 45°

Lutning ( ): 45° : 14 % : 30 %

Max. temperatur solfångarmediet: 110° C : 46

: 58

Solarkonstanten ( ): 1 370 ⁄ : 0,5 l* *16,5 omsättning/timme

Positionen av solen på himlen beror på var på jorden man befinner sig, vilken dag det är på året och vilken tid på dagen det är. Jorden roterar med 15° per timme.

Vinklarna som behövs för att bestämma instrålning mot en lutande yta, se figur 1 för översikt: γ Azimutvinkel, avvikelse från söder för ytan där solinstrålning ska beräknas. Avvikelse

mot öster är negativa vinklar, mot väst positiva vinklar. – 180° ≤ γ ≤ 180°.

β Lutning, vinkeln mellan horisontalplanet och den för beräkningen avsedda ytan. Om β > 90° är ytan upp och ner vänd. 0° ≤ β ≤ 180°.

δ Deklination, används för att lägesbestämma solens position på himlassfären där norr är positiv. – 23,45° ≤ δ ≤ 23,45°. Beräknas enligt (9).

ω Timvinkel, för att bestämma var solen befinner sig behöver timvinkeln beräknas där förmiddagen är negativ och eftermiddagen positiv. – 180° ≤ ω ≤ 180°. Beräknas enligt (6).

θ Instrålningsvinkel, vinkeln mellan direkt instrålning mot ytan och normalen till ytan. Beräknas enligt (7).

Zenitvinkel, vinkeln mellan zenit och solen. Beräknas enligt (8).

Φ Latitud

Figur 1: De olika vinklarna för solberäkning. zenitvinkel, β lutning, γ azimut, komplementvinkel till zenitvinkel och solens azimut. Figuren är hämtat från Duffie et al. [14].

5

Den totala solinstrålningen mot en lutande yta beräknas enligt (2).

[

] (2)

För att kunna beräkna solens position på himlen behöver standardtiden räknas om till soltiden. Detta görs med (3).

( ) ( ) (3)

Där equation of time (E(n)) beräknas enligt (4) och soldagen (B) enligt (5)

( ) ( ( ) ( ) ( ) ( )) (4)

( )

(5)

(

) (6)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (7)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (8)

( ⁄ )( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )) (9)

Den direkta solstrålningen mot en yta vinkelrät mot solen fås utav STRÅNG-data. Omräkningen till den direkta solinstrålningen mot en yta med godtycklig lutning beräknas enligt (10).

( ) [

] (10)

Den geometriska faktorn , som beskriver förhållandet mellan den lutande ytan och en horisontell yta behövs för att vikta mängd strålning som träffar den lutande ytan och beräknas enligt (11).

( )

( ) (11)

Den diffusa solstrålningen kan beräknas med hjälp av Hay och Davies-modellen som beskrivs i Duffie et al. [14]. För att kunna genomföra beräkningen behövs det ett anisotropiindex ( ) som beräknas enligt (12) där är den utomjordiska instrålningen mot en horisontell yta enligt (13).

( )

(12)

( (

)) ( ) [

] (13)

Diffus solinstrålning blir då enligt (14).

(( ) ( ( )

) ) [

] (14)

Den reflekterade solstrålningen från omgivningen fås enligt (15).

6

( ( ) ) ( ( )

) [

] (15)

Energin som fås utav solcellerna beräknas med (16). Solcellers verkningsgrad är temperaturberoende. Höga temperaturer leder till sämre verkningsgrad. Temperaturen hos solceller tas ingen hänsyn till i det här projektet.

(16)

Energin som fås utav solfångaren beräknas med (17). Temperaturen av vattnet som kommer från solfångaren beräknas utifrån den lägsta temperaturen i ackumulatortanken och den mängd energi som fås utav solfångaren enligt (18).

(17)

(18)

Solstrålning som träffar husets fönster och därmed innerväggar och golv beräknas på samma sätt som för solceller eller solvärme men med avvikande indata enligt tabell 2. Utöver det tas hänsyn till olika värden för transmittans beroende av instrålningsvinkeln. När solinstrålningens vinkel mot fönsterytan är mellan 90° till 30° är transmittansen 0,7, för att sedan avta linjärt till 0 när vinkeln går mot 0°, enligt Pettersson [13]. Om inomhustemperaturen överstiger 25°C fälls persienner ner som skuggar av 80 % av den infallande solstrålningen. Sjunker inomhustemperaturen under 23°C fälls persiennerna upp igen.

Tabell 2:Indata solstrålning genom fönster.

Azimutvinkel ( ): -90° Azimutvinkel ( ): 0° Azimutvinkel ( ): 90° Azimutvinkel ( ): 180° : 5 : 12 : 5 : 2 Lutning ( alla väderstreck): 90°

Indata till solinstålningsberäkningen kommer från STRÅNG-databasen [16]. Värden som kommer därifrån är baserade på modellberäkningar som validerats mot uppmätta värden. Detta innebär en avvikelse från den verkliga globala solinstrålningen med uppemot 30 % och för den direkta solinstrålningen med uppemot 60 %. enligt SMHI [16]

Elsystem Batterimodellen har utvecklads av Tremblay [17] och finns som färdig modul i Mathlab Simulink. Den kan avbilda fyra typer av batterier: bly-, litium-jon, nickel-cadmium och nickel-metalhydride batteri. De använda ekvationerna finns tillgängliga under [18]. I projektet används litium-jon batterier som är sammankopplade till 58 kWh vid 48 V. För att bestämma om elenergin räcker används SOC som mått. SOC får aldrig underskrida 0 %. under hela beräkningsperioden

Data över vindhastighet kommer från SMHI:s projekt ”öppen data” [19] där en stor mängd historiska data över vädret är tillgängliga. Vinddata, som är uppmätt 10 meter över marken, för Karlstads flygplats används. Vindkraftverket som används i modellen som ett exempel på ett lite större vindkraftverk kommer från företaget Windon AB [20] och har en märkeffekt på 2,75 kW. Utifrån de tekniska specifikationer, som redovisas i tabell 3, över hur mycket effekt kraftverket

7

levererar vid olika vindförhållanden, ställs en ekvation upp som beskriver effektkurvan, se figur 2. Vindkraftverket levererar nominell effekt för vindhastigheter mellan 10 m/s och 22 m/s, över 22 m/s vindhastighet stängs verket av (skyddsåtgärd).

Figur 2: Ekvation samt effektkurvan för Windon 2 kWp [20]. Är vindhastigheten mellan 10m/s och 22m/s håller verket nominell effekt, över 22 m/s stängs verket av.

Tabell 3: Tekniska data vindkraftverk enligt Windon AB [20].

Max. effekt: 2 750 Watt Nominell effekt: 2 000 Watt Min. vind: 2,5 m/s Nominell vind: 9,5 m/s Rotordiameter: 3,2 m Vindhastighet 3 m/s 70 Watt Vindhastighet 4 m/s 180 Watt Vindhastighet 5 m/s 340 Watt Vindhastighet 6 m/s 590 Watt Vindhastighet 7 m/s 940 Watt Vindhastighet 8 m/s 1 410 Watt Vindhastighet 9 m/s 2 000 Watt

Elbehov modelleras dels som en konstant förbrukning (vattenkokare, diskmaskin, kyl osv.) och dels som en förbrukning efter behov (pumpar, fläktar), se tabell 4.

Tabell 4: Förbrukningsvärden el som har stämts av med Zimmermann [21]. Förbrukningen för vitvarorna har hämtats från de olika tillverkarna.

Beskrivning Förbrukning Tillverkaren/Modell/Kommentar Vattenkokare: 200 Wh/dygn Diskmaskin: 245 Wh/dygn V-Zug, Adora 60 SL GS 60SLWP-di/Vi Kyl/frys: 380 Wh/dygn Siemens, KD33EAI40 Dammsugare: 80 Wh/dygn Siemens, VSY4GPXCH Tvättmaskin: 43 Wh/dygn V-Zug, Adora SLQ WP Dator: 120 Wh/dygn Bärbar Skrivare: 70 Wh/dygn Canon, i-SENSYS LBP7010C TV/radio: 62 Wh/dygn Toshiba, 32L2333DG

8

Belysning: 240 Wh/dygn LED (12 W motsvarar ~1000 lm) Matlagning: 1 125 Wh/dygn Electrolux, FEH 60 G2 Cirkulationspump golvvärme: 7 W Grundfors, Alpha2 Cirkulationspump sol: 8 W Grundfors, Alpha2 Pump varmvatten: 8 W Grundfors, Alpha2 Ventilation FTX: 100 W Systemair Ventilation luftförvärmning: 100 W Systemair

Huset Det tänkta modellhuset står i Karlstad, vilket har betydelse för energibehovet, solinstrålning, vindhastighet med mera. De under beräkningen använda värdena för huset presenteras i tabell 5. Ingen hänsyn tas i beräkningen till strålningsutbyte mellan huset och himlen. Solstrålning som träffar husets väggar tas heller ingen hänsyn till men solstrålning genom fönster beräknas. Effekten av vinden på byggnaden tas ingen hänsyn till. Vinden ökar den konvektivt överförda värmeeffekten och således förlusterna från huset. Väderdata används för 2010 till och med 2013.

Tabell 5: Tekniska data modellhus.

Antal Personer: 4 Storlek: 160 : 0,18 ⁄ , enligt Spoo [23]

: 0,18 ⁄ , enligt Spoo [23] : 0,18 ⁄ , enligt Spoo [23]

: 0,77 ⁄ , enligt Ekstrands Dörrar & Fönster AB [24] : 145,8

: 160 : 160

: 24 : 1,2 ⁄ : 1 000 ⁄ : 0,1 ⁄ , enligt Passivhuscentrum Västra Götaland [25] : 465,8

: 4 %, enligt Pettersson [13]

: 82 % enligt NIBE Energy Systems [26] : 80 %

: 0,35 ⁄ , enligt Boverket [27]

: {

: 21°C : 8°C, enligt Pettersson [13] : 80 000 ⁄ , enligt Adalberth et al. [22]

: 448

För att bestämma värmeförlusten för en byggnad kan, enligt Pettersson [13], dess värmegenomgångskoefficient U användas. Den uttrycker hur mycket effekt som kommer transporteras genom ett material per grad temperaturdifferens och yta mellan insida och utsida. Beräkningen av förluster genom väggar, golv, tak och fönster görs på ett liknande sätt som i (19) genom att använda respektive yta för varje beräkning. För beräkning av förluster för golv gäller att ersätts med då värmen lämnar byggnaden mot marken.

( ) [

] (19)

9

Förluster genom fönster utgör en betydande del i transmissionsförluster eftersom det är svårt att uppnå lika bra U-värden för fönster som för andra byggnadsdelar. Hela förlusten genom transmission kan sammanfattas till (20).

[

] (20)

Det är svårt att bygga ett hus helt tätt. Förluster genom otätheter bestäms med ett trycktest som visar hur mycket luft som läcker ut ur huset vid 50 Pa övertryck i huset. Tillvägagångssätt för att bestämma hur mycket av läckage som är rimligt under drift beskrivs i Pettersson [13]. Beräkning görs enligt (21).

( )

[

] (21)

Eftersom huset ventileras kontinuerligt, förloras mycket värme genom ventilationen. För att begränsa förluster används en värmeväxlare för att återvinna en stor del av energin. Den återvunna energin överförs sedan till tilluften som på så sätt behöver mindre energitillförsel för att hålla en behaglig temperatur.

För att hushålla med elen som är tillgänglig under vintern, stängs ventilationen av om batteriets SOC skulle understiger 35 %. Genom att vädra manuellt kan ändå ett bra inomhusklimat säkerställas.

Man kan i modellen välja att förvärma ventilationsluften genom markrör till antagna konstanta 6°C om utetemperaturen är under 5°C. Understiger batteriets SOC 40 % stängs luftförvärmningen av. (22) visar beräkningssättet. är lika med om luftförvärmningen är avstängd.

( ) ( )

[

] (22)

För att sammanfatta värmeförlusterna i huset summeras transmissionsförluster, läckageförluster och förluster genom ventilation enligt (23).

[

] (23)

Allt material har en viss förmåga att lagra värme. Måttet för denna förmåga är specifik värmekapaciteten. För en byggnad utgör materialet som används i väggar, golv och tak och ligger innanför klimatskalet den tillgängliga specifika värmekapaciteten. Enligt en undersökning i Adalberth et al. [22] kan lätta byggnader antas ha en specifik värmekapacitet omkring 80 000 ⁄ .

Genom en p-regulator bestäms hur mycket av den maximalt tillgängliga värmeeffekten för golvvärme som används. En enkel eller dålig inställd reglering kan medföra ett ökat energibehov på grund av att temperaturen inomhus varierar kraftigt. För att kompensera för låga temperaturvärden levererar regulatorn då mer effekt än vad som egentligen behövs för att hålla temperaturen konstant. Värmeeffekten beräknas enligt (24). Värmen hämtas från ackumulatortanken. Understiger temperaturen i ackumulatortanken 25° C går det inte längre att utvinna energi från den för att värma huset. Beräkningsrelevanta värden visas i tabell 6.

( ) [

] (24)

Tabell 6: Indata för värmeregulatorn.

: 200 l/timme

10

: {

: 25°C

Som internvärme räknas energitillskott som kommer från värmekällor inuti huset, människor och elektrisk utrustning enligt (25) med indata enligt tabell 7.

[

] (25)

Tabell 7: Indata för internvärme.

: {

: se tabell 4

: 80 %

Allt energiutbyte som sker mellan huset och omgivningen kan anses ske enligt (26).

(

)

(26)

Ackumulatortanken består av tre kontrollvolymer och bygger på modellen beskriven av Duffie et al. [14] med använda indata enligt tabell 8. Genom att dela in tanken i tre volymer är det enklare att simulera skiktningen i ackumulatortanken. Skiktningen uppstår alltid i stora tankar med varmt vatten till följd av vattnets olika densitet vid olika temperaturer, Duffie et al. [14].

Uttaget ur ackumulatortanken för solfångaren sker alltid i botten på tanken, där det är som kallast, eftersom solfångaren jobbar bäst med en så låg intemperatur som möjligt, enligt Duffie et al. [14]. För golvvärmen och varmvatten sker uttaget alltid i toppen av tanken (där det är som varmast) och med hjälp av shuntventiler regleras temperaturen till rätt nivå. Se figur 3 för en bild över de olika vattenflödena.

Vattnet som kommer från solfångaren, golvvärmen eller kallvattnet som värms till tappvarmvattenanvändning behöver placeras på rätt ställe i tanken. Vattnet ska hela tiden placeras i den kontrollvolymen som har liknande eller lägre temperatur än vattnet som strömmar till. Med tre kontrollvolymer på 25°C, 35°C och 45°C vardera ska vattnet som kommer från solfångaren med 38°C placeras i kontrollvolymen med 35°C. För att styra i vilken kontrollvolym vattnet ska hamna används en kontrollfunktion

enligt (27).

{

(27)

På liknande sätt kan man styra i vilken kontrollvolym returvattnet från golvvärmen och tappvattnet som ska värmas ska hamna i ackumulatortanken enligt (28).

{

(28)

11

Figur 3: Bild över ackumulatortanken med de olika flödena mellan de tre kontrollvolymer. Figuren är hämtat från Duffie et al. [14].

Vattenutbyte mellan de olika kontrollvolymerna kan antingen vara positiv eller negativ beroende på i vilken kontrollvolym flödet från solfångaren, golvärmen och tappvarmvatten kommer in. Genom att sammanfatta dessa flöden i ett enda kan det totala utbytesflödet mellan kontrollvolymerna beräknas enligt (29) – (31). Massflöden och beräknas dynamiskt utifrån behov (golvvärme, tappvarmvatten) eller utifrån solinstrålning (solfångare).

[

] (29)

∑

∑

[

] (30)

[

] (31)

Med de beskrivna kontrollfunktionerna (27) - (31) kan sedan ackumulatortanken beskrivas med (32).

(

)

( )

( ) ( )

{ ( )

( ) (32)

För att minska förlusterna i ackumulatortanken är tanken isolerad. Tanken antas stå inomhus. De beräkningsrelevanta indata finns i tabell 8.

12

Tabell 8: Tekniska data ackumulatortank.

: 0,158 ⁄ : Kontrollvolym 1: 13,07 Kontrollvolym 2: 7,68 Kontrollvolym 3: 13,07 : 3,1 N: 3

Understiger ackumulatortankens temperatur räcker energin som finns kvar i

ackumulatortanken oftast inte till för att värma huset tillräckligt. Samma problem kan uppstå vid uppvärmning av varmvatten. Den energin som fattas måste då kompletteras utifrån med ved. Värmeenergins täckningsgrad utgörs av den andel värme som levereras av solen av det totala värmeenergibehovet.

För varmvattenuppvärmning används värmen från ackumulatortanken. För att kunna återvinna en del av den värmen som finns i varmvattnet, går det att koppla in en värmeväxlare som växlar värmen från avloppsvattnet till det inkommande kallvattnet. Detta kräver att avloppsvattnet släpps ut samtidig som varmvatten behövs som till exempel dusch, tvätta händer med mera. Användning av badkar bidrar till exempel inte till någon värmeåtervinning. Här antas att värmeväxlingen kan höja temperaturen på det inkommande vattnet med 8° C och att allt tappvarmvatten som används i huset kan användas för återvinning. Förluster från varmvatten (ledningar) tas ingen hänsyn till och räknas inte huset tillgodo. Beräkning av energin till varmvattnet görs enligt (33).

( ( )) [

] (33)

Är avloppsvärmeväxlaren inte inkopplad, är lika med 0. De för beräkningen använda värdena visas i tabell 9.

Tabell 9: Indata för tappvarmvattenberäkning.

: {

: 10° C : 45,7 l/dygn, person : 8° C

För att kunna avgöra om några merutgifter för teknik skulle medföra en lägre energiförbrukning, testades modellen även med tillägg som beskrivs i tabell 10.

Tabell 10: Teknisk utrustning som läggs till för att se om energibehov minskar.

Luftförvärmning genom markrör, elbehov: 100 W för fläkt Avloppsvärmeväxlare enligt Ekologiska byggvaruhuset AB [28]

Ekonomi Eftersom det är svårt att avgöra hur mycket ett hus skulle kosta att bygga, som bara existerar som en grov modell, jämförs modellen mot ett hus som byggdes i Lehrte utanför Hannover i Tyskland. Huset byggdes av den tyska hustillverkaren HELMA [9] och har byggts i några exemplar. För att bättre kunna jämföra energibehovet som HELMAs hus har med modellhusen, används i beräkningarna 45,7 l varmvatten per person och dygn som motsvarar ungefär 3 500 kWh per år för varmvatten.

13

Boverket [27] föreskriver hur mycket energi ett nybyggt hus får använda. År 2011 gjorde Energimyndigheten [4] i samarbete med BUILD WITH CaRe, Hållbar Utveckling Väst, Passivhuscentrum och The Interreg IVB North Sea Region Programme en sammanställning över energieffektiva småhus. Den totala energianvändningen togs fram och listades. Som avvikande indata till modellhuset i projektet antogs varmvattenanvändningen i sammanställningen ligga på 4 000 kWh/år jämförd med 3 500 kWh/år i modellhuset. Hus som är i samma storleksordning som modellhuset och har en liknande energibehov per och år jämförs prismässigt. Kostnaderna för anslutning till elnätet samt energikostnader listas under resultat. Driftkostnader beräknas utifrån elpris på 1,3 kr/kWh eller vedpris på 0,51 kr/kWh. Förbrukningen av hushållsel antas vara samma som för modellhuset. Energibehovet för ett energieffektivt småhus anses tillgodoses av el. Möjlig överskottsenergi tas ingen hänsyn till, då överskottsenergin lagras på nätet och inte kan förbrukas direkt.

14

Resultat Alla resultat som redovisas här, kommer från beräkningarna som görs i Simulink med de tidigare beskrivna formlerna och antagandena. Siffrorna kan antingen läsas av i Simulink direkt eller exporteras till Microsoft Excel för vidare bearbetning.

Elenergin produceras med solceller och ett vindkraftverk. Som lager för elenergin används ett batteri på 58 kWh. För att bedöma hur mycket energi som finns kvar i batteriet, kan SOC användas. Under beräkningarna med de givna indata sjönk SOC aldrig under 49 %. För att förse huset med den nödvändiga värmen används solfångare. Värmen lagras i en ackumulatortank på 9,3 . Från tanken tas sedan värmen för att värma tappvarmvattnet till 55° C och driva värmekällan till huset.

Tabell 11 redovisar energiflöden genom huset. Varje beräkningsår visas för sig och genomsnittet har beräknats för alla fyra beräkningsår. Energibehovet är den mängd värme som huset behöver, uppdelat efter värme och tappvarmvatten. Behov per kvadratmeter har beräknats för att lättare kunna jämföra huset med andra hus och avser behov per kvadratmeter uppvärmd yta. Tillskottsenergin är den mängd värmeenergi som modellhuset behöver utöver den som solfångarna levererar till ackumulatortanken och som kan användas därifrån. Eftersom tappvarmvattnet behöver vara 55° C men värmekällan till huset klarar sig med maximalt 40° C delas även här värmebehovet in i behov för varmvatten och behov för värmekällan.

Tabell 11: Energibehov för modellhuset. För indata se tabell 5.

2010 2011 2012 2013 Genomsnitt Energibehov Värme 9 432 7 538 7 850 7 650 8 118 kWh/år Varmvatten 3 465 3 466 3 479 3 460 3 468 kWh/år Total 12 897 11 004 11 329 11 110 11 586 kWh/år Per 80,6 68,8 70,8 69,4 72,4 ⁄ Tillskott Värme 4 988 3 812 3 760 3 640 4 050 kWh/år Varmvatten 818 940 865 855 870 kWh/år Total 5 806 4 752 4 625 4 495 4 920 kWh/år Per 36,3 29,7 28,9 28,1 30,8 ⁄ Solel 8 273 8 477 9 170 10 020 8 985 kWh/år Vindel 1 133 1 383 1 259 1 389 1 291 kWh/år Elbehov 1 714 1 668 1 726 1 687 1 699 kWh/år Solvärme 14 060 14 400 15 590 17 040 15 273 kWh/år Sol genom fönster 2 927 2 676 3 056 3 141 2 950 kWh/år Internvärme 5 278 5 242 5 300 5 260 5 270 kWh/år Försluster Ventilation 2 304 2 113 2 153 2 152 2 181 kWh/år Fönster 2 801 2 307 2 492 2 450 2 513 kWh/år Täthet 339 279 301 296 304 kWh/år Isolering 12 180 10 730 11 290 11 150 11 338 kWh/år Total 17 624 15 429 16 236 16 048 16 334 kWh/år Täckning Elbehov 100 100 100 100 100 % Värme 55 57 59 60 58 %

Raden med solel, solvärme och vindel redovisar energiproduktion efter energislag. Elbehovet redovisar hur mycket energi som behöver levereras av batteriet. Förbrukningen är en summering av all elutrustning, se tabell 4, som drivs under året. Figur 4 med elbehovet över fyra år visar hur fördelningen ser ut över alla beräkningsår. När enstaka större förbrukare av

15

elenergi kopplas på eller bort, som till exempel FTX-aggregatet, syns detta tydligt. FTX-aggregatet leder också till att huset använder som minst elenergi på sommarn. Värmeåtervinningen är då avstängd för att husets inomhustemperatur inte ska bli för hög.

Figur 4: Elbehovet i modellhusen mellan januari 2010 och december 2013 baserat på elbehov i tabell 4.

Förluster, som visas i tabell 11, gör tydligt var modellhuset tappar mest värmeenergi. Värmeenergibehovet och förlusterna är inte lika stora på grund av gratisenergi i form av internvärme, så som personvärme och elutrustning, och solen som levererar värme genom fönstren.

De sista två raderna i tabell 11 visar hur stor del av elenergibehovet som kan tillgodoses med solen och vindkraft.

Tabell 12 är uppbyggd enligt samma princip som tabell 11. Beräkningarna på modellhuset gjordes med tillägg i merteknik enligt tabell 10. Utvärdering visar hur energibehovet förändras när mer gratisenergi i form av förvärmd luft genom markrör finns tillgängligt. Avloppsvärmeväxlaren gör även att energibehovet för tappvarmvatten minskar. På grund av den extrafläkt som luftförvärmning med markrör kräver, sjunker SOC av batteriet till 23 % och elbehovet ökar till 2 500 kWh/år.

Tabell 12: Energibehov för modellhuset med tillägg enligt tabell 10.

2010 2011 2012 2013 Genomsnitt Energibehov Värme 8 792 7 108 7 200 7 280 7 595 kWh/år Varmvatten 2 846 2 846 2 854 2 844 2 848 kWh/år Total 11 638 9 954 10 054 10 124 10 316 kWh/år Per 72,7 62,2 62,8 63,3 65,3 ⁄ Tillskott Värme 4 598 3 595 3 307 3 510 3 753 kWh/år Varmvatten 733 902 786 818 810 kWh/år Total 5 331 4 497 4 093 4 328 4 562 kWh/år

16

Per 33,3 28,1 25,6 27,1 28,5 ⁄ Solel 8 273 8 477 9 170 10 020 8 985 kWh/år Vindel 1 133 1 383 1 259 1 389 1 291 kWh/år Elbehov 2 516 2 469 2 579 2 496 2 515 kWh/år Solvärme 14 060 14 400 15 590 17 040 15 273 kWh/år Sol genom fönster 2 766 2 501 2 853 2 890 2 753 kWh/år Internvärme 5 920 5 880 5 980 5 910 5 923 kWh/år Försluster Ventilation 2 220 2 130 1 926 2 161 2 109 kWh/år Fönster 2 794 2 310 2 496 2 450 2 513 kWh/år Täthet 338 279 302 297 304 kWh/år Isolering 12 150 10 740 11 310 11 160 11 340 kWh/år Total 17 502 15 459 16 034 16 068 16 266 kWh/år Täckning Elbehov 100 100 100 100 100 % Värme 54 55 59 57 56 %

Figur 5 visar SOC för batteriet under beräkningsperioden januari 2010 till december 2013. SOC hamnar som lägst på 49 %, vilket betyder att batteriets kapacitet på 58 kWh utnyttjas till maximalt 51 %. Hur batteriets SOC är beror på hur mycket el som behövs i huset samt hur elproduktionen med solceller och vindkraftverk ser ut. Tydligt avtecknar sig sommarmånaderna där batteriets SOC är väldigt högt.

Figur 5: Batteriets SOC mellan januari 2010 och december 2013. Som lägst sjunker SOC till 49 %.

Elproduktionen från solcellerna, som syns i figur 6, visar tydligt vilka skillnader i solinstrålning det är mellan sommaren och vintern. Solelproduktionen över hela året sett är ungefär fyra gånger så stor som elbehovet för hela huset.

17

Figur 6: Solcellernas energiproduktion mellan januari 2010 och december 2013 baserat på SMHIs mätdata.

Figur 7: Vindkraftverkets elproduktion mellan januari 2010 och december 2013 för Windon 2 kWp vindkraftverk med vinddata från SMHI.

Vindkraftverkets elproduktion är i den här modellen direkt kopplad till vindhastigheten. Elproduktion från verket redovisas i figur 7 för beräkningsperioden januari 2010 till december

18

2013. Över hela året sett, levererar verket ungefär hälften av elbehovet för modellhuset. Bara vid ett fåtal tillfällen per år producerar dock verket mer än 1 500 kW.

Figur 8: Temperaturvariation i ackumulatortankens kontrollvolymer mellan januari 2010 och december 2013.

Ackumulatortanken är indelad i tre kontrollvolymer vilket resulterar i tre mätdataserier. Figur 8 visar resultaten från beräkningarna mellan januari 2010 och december 2013. Tydligt visar sig sommarmånaderna med höga temperaturer i alla tre kontrollvolymer. När solinstrålningen inte längre räcker till att förse huset med värme, sjunker temperaturen i alla tre kontrollvolymer snabbt. Återhämtningen av temperaturnivån i tanken sker ungefär lika snabbt när solinstrålningen kommer tillbaka med full styrka under våren. Värmeleveransen från solfångarna redovisas i figur 9. Kallvattnet som kommer in i huset har med 10° C den lägsta temperatur som kommer i kontakt med ackumulatortanken. Det är också den temperaturen som kontrolvolymerna når som lägst. Vedeldningen, som behövs för att säkerställa värmeförsörjning året om, visas inte i ackumulatortankens temperatur.

Solvärmeproduktionskurvan, som redovisas i figur 9, liknar solcellsproduktionskurvan i figur 6. Beräkningen bakom båda kurvorna är likadan, därav likheten. Den mängd solvärme som utvinns ur solfångarna har, genom vattentemperaturen i den, direkt påverkan på ackumulatortanken. Mer energi från solfångarna leder till högre temperatur i ackumulatortanken.

19

Figur 9: Solfångarnas energiproduktion mellan januari 2010 och december 2013 baserat på SMHIs mätdata.

Utetemperaturen för Karlstad har hämtats från SMHI och finns tillgängliga under [19]. Den redovisas i figur 10 och har betydelse för hur mycket värmeenergi modellhuset behöver för att hålla den i beräkningen använda innetemperaturen på 21° C.

Figur 10: SMHIs mätdata för temperaturen i Karlstad mellan januari 2010 och december 2013 enligt [19].

20

Modellhuset och huset från HELMA [9] ska bli jämförbart. För att kunna göra detta görs antaganden som är listade i tabell 13. Eftersom att inte alla parametrar för huset i Tyskland är kända, gjordes det antaganden för de okända delarna enligt tabell 14. Enligt beräkningar som gjordes av de i byggprocessen av huset i Tyskland involverade parterna, behöver huset extravärme i form av ved som motsvarar 1 - 2 fast bokved per år (materialets verkliga volym utan luft emellan). Omräknad till björkved motsvarar det 2,6 – 5,2 stjälpt björkved.

Tabell 13: Das EnergieAutarkeHaus , detaljer kring bygget i Lehrte enligt Spoo [23].

Boyta: 162

Uppvärmningsbehov: 9 344 kWh/år Varmvatten: 3 500 kWh/år Elbehov: 2 000 kWh/år Primärenergibehov: 5 ⁄ Solfångare: 46 Solceller: 58 (8,19 )

Ackumulatortank: 9,3 Batteri 58 kWh Isolering: U = 0,18 ⁄ Ventilation: Behovsstyrd, fönster öppnas och stängs efter behov Vattenmantlad kamin 25 kW Värmespridning Golvvärme Lutning solfångare, -celler: 45° Självförsörjning el: 100 % Självförsörjning värme: 65 % Pris: 380 000 €, ~3 420 000 kr

Tabell 14: Beräkningsdata till modellhuset i Karlstad. Antaganden för att kunna jämföra hus i Lehrte med modellhuset. Bara värden som avviker eller är okända från huset som beskrivs i tabell 13 redovisas.

Fönsterarea: 24 : U = 0,77 ⁄ Varmvattenbehov: 45,7 l/person, dag Temperatur varmvatten: 55° C Boyta: 160

Ventilation: FTX Vindkraftverk: 2

: 30 % : 14 % : 80 %

Täthet (luftläckage): 0,1 ⁄ vid 50 Pa provtryckning

För att öka inomhuskomforten och möta BBR-krav för luftomsättning på 0,35 ⁄ [27] används ett FTX-system. Dessutom räcker solcellerna inte för att täcka hela elbehovet. Därför används också ett vindkraftverk på 2 .

För att modellhuset ska klara att vara självförsörjande på el behövs det mer teknik än vad HELMAs hus behöver. Luftomsättningen i huset ska uppfylla kravet från Boverket med en konstant luftväxling inomhus. Samtidigt ska förluster från ventilationen begränsas. Elförsörjningen klaras med tillägg från vindkraftverket och värmeförsörjningen förbättras med FTX-aggregatet. Tabell 15 redovisar de antagna kostnaderna. Priserna för den kompletterande tekniken kommer antingen från tillverkaren (vindkraftverk, torn, FTX-aggregat) eller är en

21

uppskattning (installationskostnad). Priset för HELMAs husbygge har räknats om från € till kr. med en växelkurs på 1 € = 9 kr.

Tabell 15: Extrakostnader för modellhuset jämfört med huset das EnergieAutarkeHaus från HELMA Eigenheimbau AG som presenteras i tabell 13.

HEMLAs hus utan mark: 3 420 000 kr enligt Spoo [23] Vindkraftverk: 57 000 kr enligt Åkeson [29] Torn 10 m (35 % av verket): 19 950 kr enligt Åkeson [29] FTX-aggregat: 22 375 kr NIBE Energy Systems [26] Installation (35 % av inköpspris): 34 764 kr (uppskattning)

Total tillägg: 134 089 kr Totalkostnad för huset: 3 554 089 kr

Värmebehovet för modellhuset täcks inte till 100 % av solen. Den resterande energin kommer från ved som eldas i en vattenmantlad panna. Den genomsnittliga kostnaden för ved presenteras i tabell 16 utan hänsyn till inflation eller prisstegring. Utgångspunkten är en pannverkningsgrad på 80 % och det genomsnittliga tillskottenergibehovet på 4 920 kWh/år. Detta leder till ett behov av vedenergi på 6 150 kWh/år som motsvarar 4,1 stjälpt björkved. För att beräkna priset används sedan kostnad och värmevärdet för björkved för att kunna räkna fram priset per kWh ved.

Tabell 16: Kostnader för vedeldningen.

Genomsnittligt tillskottenergibehov: 4 920 kWh/år Kostnader björkved: 500 ⁄ stjälpt ved, Väse ved [30] Effektivt värmevärde björkved: 1 500 ⁄ stjälpt ved, Liss [31] Kostnader per kWh 0,51 ⁄ 80 %

Genomsnittligt vedenergibehov 6 150 kWh/år

Genomsnittlig kostnad ved/år 3 137 kr

I rapporten ”Energieffektiva småhus” från Energimyndigheten [4] presenteras det fem småhus som ligger i samma storleksordning som modellhuset. De är sammanställda i tabell 17. Driftkostnaderna avser kostnad utan hänsyn till inflation eller prisstegring. Om huset är ett plusenergihus, som Bright livning no 2, tas i driftkostnadsberäkningen ingen hänsyn till den överproduktion som huset åstadkommer på grund av att huset saknar batteri för att mellanlagra energin och leverera den tillbaka till huset när det behövs. Huset klarar sig med andra ord inte utan uppkoppling mot elnätet.

Tabell 17: Svenska småhus enligt Energimyndigheten [4] som är i samma storleksordning som modellhuset.

Hus Boyta Ca. pris Total energi Drivkostnad ( ) (kr) ( ⁄ ) (kr)

A-hus, Bright living no 2: 155,2 3 900 000 -5 2 509 Emrahus, Villa sadeltak: 169,5 3 300 000 27 8 158 Villa Varm, 303120-PN: 162 2 600 000 30 8 527 Willa Nordic, A2811: 168 3 000 000 27 8 106 XN-villan, C160: 168 2 775 000 36 10 071 Genomsnitt: 164,5 3 115 000 24 7 474

Hus som inte är självförsörjande på el behöver anslutas till elnätet. Kostnaderna för en anslutning ökar med avståndet till anslutningspunkten enligt tabell 18 och kan utgöra en

22

betydande del i byggkostnaderna. Avstånd till närmaste anslutningspunkt räknas fågelvägen. Blir avståndet längre än 1 800 meter, behövs det en individuell beräkning av kostnaderna. Det är Energimarknadsinspektionen som har tillsyn över anslutningskostnader.

Tabell 18: Avgift för anslutning till elnätet enligt Energimarknadsinspektionen[32].

Avstånd till närmaste anslutningspunkt (m) Pris (kr) 200 27 625 600 122 125 1 200 206 125 1 800 313 375

Med den valda systemlösningen täcks elbehovet till 100 % av solen. Värmebehovet däremot täcks i genomsnitt till 58 % över fyra år. Genom att öka solfångarytan och storleken på ackumulatortanken stegvis, kan en uppskattning göras av när solvärmen täcker 100 % av värmebehovet. Figur 11 visar resultatet. För en ökad självförsörjning av värme till huset behöver såväl solfångarytan som ackumulatortanken ökas avsevärt.

Figur 11: Andel av värmebehovet som täcks av solen i relation till storleken på ackumulatortank och solfångaryta för året 2011.

Känslighetsanalysen visar hur modellen påverkas av enskilda parametrar. Eftersom hela modellen omfattar många beräkningssteg, är det inte möjligt att kontrollräkna varje enskild beräkningsparameter. Parametrarna för känslighetsanalysen valdes därför i slutet av varje beräkningskedja för att kunna avgöra om just den här kedjan har stor eller liten betydelse i modellen.

Överst i tabell 19 redovisas standardvärden som har beräknats med indata beskrivna under metod. Verkningsgraden för solcellerna och solfångarna är avgörande för hur mycket el eller värme systemet kan producera. Verkningsgraden ligger på slutet av hela solinstrålningsberäkningen. Lutningen på solcellerna eller solfångarna har betydelse för hur mycket värme eller el som produceras över året. Blir lutningen för liten kan solstrålningen vintertid bara utnyttjas till en liten del, blir lutningen för stor är utbytet sommartid dåligt. Elbehovet har betydelse för hur bra batterisystemet klarar en ökad belastning och visar om de beräknade värdena för batteriets SOC är tillförlitliga. Förändring i värmelagringsförmåga för hela huset ( ) ska visa hur värmeenergibehovet förändrar sig när lagringsförmågan ändras.

Husets och tankens isolering varieras för att se vilket inflytande olika isoleringstjocklekar har.

23

Tabell 19: Känsligheten för modellen när vissa parametrar ändras. Alla värden är genomsnittsvärden för åren 2010-2011.

Avvikande parameter Energibehov Energitillskott Andel solvärme Standard, se tabell 14 11 951 kWh 5 279 kWh 56 % 49 % 12 261 kWh 8 288 kWh 32 % 19 % 11 936 kWh 4 661 kWh 61 % 63 % Lutning solceller/-fångare: 65° 11 986 kWh 5 264 kWh 56 % 48 % Lutning solceller/-fångare: 30° 11 906 kWh 5 264 kWh 55 % 41 % Elbehov +20 %, utan tabell 10 10 925 kWh 4 791 kWh 56 % 29 % Elbehov +20 %, med tabell 10 10 060 kWh 4 679 kWh 53 % 18 % = 60 000 ⁄ 12 126 kWh 5 394 kWh 56 % 49 %

= 120 000 ⁄ 11 661 kWh 5 127 kWh 56 % 49 %

, , = 0,1 ⁄ 8 012 kWh 2 851 kWh 64 % 49 %

, , = 0,22 ⁄ 13 711 kWh 6 728 kWh 51 % 49 %

= 0,05 ⁄ 11 936 kWh 5 279 kWh 56 % 49 % = 0,3 ⁄ 11 936 kWh 5 279 kWh 56 % 49 % Elproduktion vindkraftverk -50 % 11 951 kWh 5 279 kWh 56 % 0 %

24

Diskussion Resultaten från modellberäkningarna, som redovisas i tabell 11, visar att det går att bygga ett hus som är 100 % självförsörjande på el. Elproduktionen med både vindkraft och solceller leder till att den producerade mängden el, över hela året sett, är mycket större än själva elbehovet för huset. Denna kraftiga överproduktion behövs för att säkerställa att det finns tillräckligt med elenergi året om. Snittförbrukning från modellberäkningarna hamnar på 1 700 kWh el per år. Siffran baseras på en rad antaganden om elförbrukningen, se tabell 4. Huruvida de antagna förbrukningsvärdena är rimliga och möjliga beror på en rad olika faktorer. Mycket teknik leder ofta till hög elförbrukning. Dels kräver reglerutrustning el och oftast drivs själva tekniken med el. Vitvarorna är en annan viktig punkt. Idag finns det tvätt- och diskmaskin som använder värmepumpsteknik vilket leder till låg energiförbrukning. Tänkbart är även att ansluta disk- och tvättmaskin till ackumulatortanken. Då kan de utnyttja solvärmen istället för el. Energikrävande utrustning, som kan väljas bort utan att komforten påverkas allt för mycket ersätts med annat. Ett exempel är torktumlare som ersätts med att lufttorka tvätt. För framtida projekt är det intressant att konstatera att elförbrukningen för ett hus, som ska vara självförsörjande på el, inte ska överstiga 2 000 kWh/år alltför mycket. Gränsen beror på hur mycket överproduktion man har i det tänkta elsystemet och hur stor lagringsmöjligheten är. De boende i husen måste anpassa sig efter att det finns mycket el tillgänglig på sommaren och att utbudet är begränsat vintertid.

All elenergi tar omvägen över batteriet. De vanligaste batterityperna idag kräver någon form av skydd mot djupurladdning för att uppnå rimliga livslängder. Antal laddcykler som ett batteri klarar av beror till stor del på urladdningsdjupet. Detta medför att batteriet måste vara överdimensionerat gentemot behovet för att inte riskera att batteriet slits ut för tidigt. Batteristorleken på 58 kWh visar sig vara tillräcklig för att batteriet inte laddas ur för mycket. Husets utformning medför ändå att framtida extrema väderförhållanden (långa perioder utan sol och vind) leder till att viss elektrisk utrustning behöver stängas av för att inte skada batteriet.

I det använda modellhuset har vissa förenklingar gjorts som leder till osäkerheter vad som gäller tillförlitlighet i resultaten. Albedovärdet, som är måttet på hur bra marken reflekterar ljus, antas vara konstant för hela beräkningen. Vintertid när marken delvis är täckt av snö, men solcellerna redan är snöfria, borde albedo vara högre. Samtidigt tas det ingen hänsyn till att snön lägger sig på solcellerna och därmed leder till minskad elproduktion. Solceller har även den egenskapen att deras verkningsgrad sjunker när yttemperaturen stiger. Inverkning av temperaturberoende modelleras inte.

Känslighetsanalysen på verkningsgraden för solcellssystemet visar att mängden producerad solel är mycket viktig för att huset ska lyckas försörja sig självt med elenergi. En närmare undersökning huruvida produktionsdata för solelen är rimliga borde göras. Det finns beprövad mjukvara för att beräkna solelssytem.

Den stora överproduktionen av el under större delen av året används i dagsläget inte i modellen. Olika möjliga scenarion är tänkbara för att utnyttja överskottet. Elen kan till exempel användas för att ladda en elbil under större delen av året. Närmare undersökning kan även göras om huruvida det är möjligt att använda en viss del av överskottet till att ladda ackumulatortanken snabbare eller använda en helt annan typ av energilager för att tillgodose husets värmebehov.

Ett tänkbart scenario för husbygget kan även vara att det ingår i en större gemenskap där det kan fungerar som en slags buffert för de nät som finns i omgivningen. Husets batteri används då för att säkerställa att elnätet i omgivningen är stabilt. Ackumulatortanken kan användas för att buffra fjärrvärmenätet. Den stora överproduktionen av el används då får att förse andra användare med el.

Storleken på solvärmesystemet gör att en försörjning av huset till 100 % solvärme inte är möjligt. Värmeenergibehovet ligger på runt 11 500 kWh/år vilket är mycket mer än elenergibehovet. Ackumulatortankens lagringsförmåga bestäms till största del av temperaturskillanden mellan den maximalt möjliga temperaturen i tanken och

25

temperaturbehovet i huset. Tappvarmvattnet har med 55°C det högsta temperaturbehovet i huset vilket minskar den användbara temperaturdifferensen i modellen till 40°C. När tankens aktuella temperatur understiger 55°C behövs det tillskottsenergi i form av vedeldning för att hålla temperaturen på varmvattnet vid 55°C. Denna begränsning i energilagringsförmåga kan undvikas om man skulle använda en annan form av värmelager som tål högre temperaturer och därmed ökar den användbara temperaturdifferensen. Alternativt kan volymen hos ackumulatortanken ökas som visas i figur 11. Självförsörjningsgraden kan då ökas till nästan 70 % med samma solfångaryta. För att komma ännu högre i självförsörjningsgrad, behöver även solfångarytan ökas.

Utmaningen med det valda solvärmesystemet är lagringsmöjligheten för att kunna överföra värmen från sommaren till vintern. Känslighetsanalysen visar att verkningsgraden på hela solvärmesystemet inte är lika viktig som för solelssystemet. En minskande verkningsgrad har till följd att självförsörjningsgraden sjunker men en ökad verkningsgrad har inte lika stor betydelse. Detta indikerar att energilagringsförmågan i ackumulatortanken måste stämmas av med storleken på solfångarytan.

Överproduktionen för solvärmen är långt ifrån i samma storleksordning som på elsidan. En ökad överproduktion, vilket antyds i figur 11, leder även till en ökad självförsörjningsgrad. Begränsningarna för såväl solel som solvärme tycks ligga i lagringsmöjligheter. Skulle all energi som fångas in under sommaren kunna lagras på ett kostnadseffektivt och säkert sätt, räcker det med en mindre yta för såväl solceller som solfångare för att försörja huset med energi. Ytan, och därmed energiproduktionen, behöver inte överdimensioneras flera gånger behovet för att klara vintern.

Tabell 11 visar att energibehovet för 2010 är som störst. Detta kan bero på olika saker. 2010 är det första året som beräkningen genomförs. Alla startvärden för beräkningen sätts manuellt. Detta kan leda till att startvärden väljs för lågt eller för högt och de på så sätt inverkar på resultatet. Dessutom kan ett år med lite sol jämfört med ett genomsnittsår leda till högre energibehov. Huruvida de använda åren skiljer sig från genomsnittet har inte undersökts närmare i det här projektet. Oavsett varför 2010 har ett högre energibehov ger det en fingervisning om vilken inverkan ett solfattigt år kan ha på energibehovet för huset.

I den använda modellen delas ackumulatortanken i tre kontrollvolymer. Temperaturen som visas i figur 8 är mittemperaturen för varje kontrollvolym. För att säkerställa att modellen över ackumulatortanken stämmer någorlunda överens med verkligheten, ska antalet kontrollvolymer anpassas efter tankens volym. Om tre kontrollvolymer räcker för en tank på 9,3 borde jämföras med befintliga tankar där mätvärden är tillgängliga.

Genom att lägga till extrautrustning till huset som beskrivs i tabell 10 kan det totala energibehovet och behovet av tillskottsenergi sänkas. Sänkningen av det totala energibehovet däremot är inte stor nog för att höja självförsörjningsgraden på värmen i huset. Om målet med ett husbygge är att ha så lågt energibehov som möjligt, kan det vara värt att investera i extrautrustning som sänker energibehovet ytterligare. Merkostnaderna leder dock inte till en höjd självförsörjning. Behov av tillskottsenergi i form av ved minskar dock vilket leder till lägre driftkostnader.

Jämförelsen mellan das EnergieAutarkeHaus i Tyskland med modellhuset i Karlstad, visar att självförsörjningsgraden inte blir lika stor. Elenergibehovet tillgodoses bara lika bra i modellhuset som i huset i Tyskland tack vara vindkraftverket. När det kommer till värmeenergin blir det ännu tydligare att de klimatmässiga förutsättningarna i Sverige inte är lika goda som i Tyskland. Tack vare tillägget av vindkraftverket och FTX-aggregatet blir de två husen energimässigt ändå jämförbara. Kostnaderna för modellhuset i Sverige skulle med alla tillägg hamna på drygt 3,5 miljoner kr. Genom att även jämföra modellhusets pris med undersökningen som Energimyndigheten [4] gjorde, kan konstateras att skillnaden mellan ett energieffektivt småhus, som inte är självförsörjande på el, och modellhuset hamnar kring 430 000 kr. Prisskillnaden sjunker till 126 000 kr om antaganden görs att den närmaste elanslutningspunkt

26

ligger på 1 800 meters avstånd från huset. Denna skillnad kan vägas in i kostnaden för att köpa el till ett energieffektivt småhus eller ved till modellhuset. Beroende på hur vedbehovet tillgodoses, kan det trots prisskillnaden vara intressant att satsa på bygget av ett hus som liknar modellhuset.

Känslighetsanalysen över isoleringen kring ackumulatortanken i tabell 19 visar att energin som finns lagrad i tanken går åt fortare än den kan läcka ut genom isoleringen. Den svaga punkten för att uppnå en högre självförsörjning ligger därmed inte i isoleringen kring tanken. En annan bild visar sig när det kommer till isoleringen i husets väggar, golv och tak. Tabell 19 visar att tilläggsisolering i de nämnda byggnadsdelarna leder till ett minskat värmeenergibehov. Merisolering blir då intressant när det är viktigt att höja självförsörjningsgraden på värme.

För såväl solfångarna som solcellerna har ytans lutning inte så stor betydelse. Känslighetsanalysen visar dock att solfångarna är betydligt mindre känsliga för lutningsändringen än solcellerna. Blir solcellernas lutning för liten leder det till att mängden el som produceras över året blir för liten. Detta påverkar i sin tur laddningsnivån hos batteriet vilken blir lägre. Den främsta anledningen till minskning av elproduktionen vintertid är att solen står väldigt lågt, vilket passar dåligt med en alltför flack vinkel hos solcellerna.

Byggnadens värmelagringsförmåga har inte så stor inverkan på värmeenergibehovet. Främst hjälper den till att jämna ut temperatursvängningar inomhus som uppstår på grund av utetemperaturförändring eller tillgång till gratisvärme. Avviker värden som räknas fram för ett framtida projekt mycket från de i modellen använda värdena, borde det ändå undersökas närmare vilken inverkan denna förändrade värmelagringsförmåga har.

27

Slutsats Att bygga ett hus som är självförsörjande på el är möjligt genom att använda befintlig teknik. De största utmaningarna med ett hus i region Karlstad är dels att få ner elbehovet till ungefär 2 000 kWh/år och dels att producera fyra till fem gånger så mycket el som huset själv behöver över året.

För att huset även ska bli självförsörjande på värmesidan krävs det mycket stor lagringsmöjlighet för värmen. Med det valda upplägget på 46 solfångare och 9,3 ackumulatortank blir huset till 58 % självförsörjande. Att få en ännu högre självförsörjningsgrad är dels en kostnadsfråga och dels en fråga om plats för värmelagret och solfångarna. Den extravärme som inte kommer från solen levereras av en vattenmantlad vedpanna. Vedbehovet ligger på 4,1 stjälpt björkved per år vilket motsvarar 6 150 kWh energi. Genom att öka isoleringen av huset ytterligare kan även självförsörjningsgraden på värme höjas.

Prislappen för ett off-grid hus blir större än för ett liknande hus som är kopplat mot elnätet. För att motivera merkostnaderna för bygget av ett självförsörjande hus krävs det antingen ett stort avstånd till elnätets anslutningspunkt (> 1 800 m) eller att husbyggaren medvetet vill göra sig oberoende av nätet. I gengäld får man ett hus som har låg energiförbrukning och därmed låga driftkostnader.

Fortsatt arbete Det är flera förluster kring huset som inte tas hänsyn till i modellen. Förluster genom vind och utstrålning mot himlen borde undersökas vidare. Även tillskottsenergin som kommer från solen och tillgodogörs huset genom väggar borde undersökas. Värmetröghet i väggar, golv och tak har antagits till ett genomsnittsvärde och borde anpassas bättre efter den tänkta byggnaden.

Överskottsenergin i form av el och värme tas inte till vara i modellen. En undersökning borde göras om huruvida överskottsenergin kan användas på ett bra sätt.

Modellen för solcellerna och solfångaren borde jämföras med mer avancerade beräkningsverktyg som har goda rykten i branschen.

28

Referenser: [1] European Commission (2010). Energy Efficiency. Tillgänglig:

http://ec.europa.eu/energy/efficiency/buildings/buildings_en.htm [2014-04/23].

[2] Sveriges Centrum för Nollenergihus (2014). Certifierade och verifierade byggnader. Tillgänglig: http://nollhus.se/byggda-hus-2 [2014-05/14].

[3] Sveriges Centrum för Nollenergihus (2014). FEBY 12. Tillgänglig: http://nollhus.se/index.php/feby-12 [2014-04/23].

[4] Energimyndigheten (2011). Marknadsöversikt energieffektiva småhus. (ET 2011:02) Eskilstuna: Statens energimyndighet. Tillgänglig: http://www.passivhuscentrum.se/ny-marknadsoversikt-hjalper-huskopare-hitta-energieffektiva-smahusleverantorer [2014-05/12].

[5] Janols, H. & Wik, T. (2012). Nulägesanalys av passivhusbyggande i Sverige 2010. Falun: Högskolan Dalarna. Tillgänglig:http://du.diva-portal.org/smash/get/diva2:693621/FULLTEXT01.pdf.

[6] Andrén, L. & Tirén, L.M. (2012). Passivhus: en handbok om energieffektivt byggande. Stockholm: Svensk Byggtjänst.

[7] Energimyndigheten (2014). Producera din egen el. Tillgänglig: http://www.energimyndigheten.se/Hushall/Producera-din-egen-el [2014-05/17].

[8] Statistiska centralbyrån (2014). Eltillförsel i Sverige efter produktionsslag. Tillgänglig: http://www.statistikdatabasen.scb.se/pxweb/sv/ssd/START__EN__EN0108/EltillfM/?rxid=ff61a729-dd2c-44e2-99d0-05d080ca9c69 [2014-05/17].

[9] HELMA Eigenheimbau AG (2014). Das EnergieAutarkeHaus®. Tillgänglig: http://www.das-energieautarke-haus.de [2014-04/30].

[10] Jenni, J. (2014). Das Oberburger Sonnenhaus. Tillgänglig: http://www.jenni.ch/index.html?html/Heizen%20mit%20Sonne/Sonnenhaus/Sonnenhaus.htm [2014-05/07].

[11] Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) (2014). Batterietechnologie und Speichersysteme - Redox-Flow-Batteriesysteme. Tillgänglig: http://www.isea.rwth-aachen.de/de/energy_storage_systems_technology_redox_flow_batteries [2014-05/15].

[12] The MathWorks Inc. (2014). Simulink. Tillgänglig: http://www.mathworks.se/products/simulink [2014-05/06].

[13] Pettersson, B. (2009). Tillämpad Byggnadsfysik. (4:3 uppl.). Lund: Studentlitteratur AB.

[14] Duffie, J.A. & Beckman, W.A. (2013). Solar engineering of thermal processes. Hoboken, N.J. : Wiley, 2013; 4th ed.

[15] Widén, J. (2011). Beräkningsmodell för ekonomisk optimering av solelanläggningar. (Elforsk Report; 10:103) Uppsala: Uppsala University, Solid State Physics. Tillgänglig: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-171814 [18/03-2014].

[16] Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut (SMHI), Strålsäkerhetsmyndigheten (SSM) & Naturvårdsverket (2014). STRÅNG - a mesoscale model for solar radiation. Tillgänglig: http://strang.smhi.se [2014-03/18].

29

[17] Tremblay, O. (2009). Experimental validation of a battery dynamic model for EV applications. World Electric Vehicle Journal, 3.

[18] The MathWorks Inc. (2014). Battery. Tillgänglig: http://mathworks.se/help/physmod/sps/powersys/ref/battery.html [2014-03/19].

[19] Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut (SMHI) (2014). SMHI Öppna data. Tillgänglig: http://opendata-catalog.smhi.se/explore [2014-05/08].

[20] Windon AB (2014). Windon 2kW. Tillgänglig: http://windon.se/se/produkter_2kw.asp [2014-03/19].

[21] Zimmermann, J.P. (2009). End-use metering campaign in 400 households in Sweden. (1) Eskilstuna: Energimyndigheten. Tillgänglig: http://www.energimyndigheten.se/Global/Statistik/F%C3%B6rb%C3%A4ttrad%20energistatistik/Festis/Final_report.pdf [2014-05/08].

[22] Adalberth, K. & Wahlström, Å. (2009). Energibesiktning av byggnader: flerbostadshus och lokaler. (3 uppl.). Stockholm: SIS Förlag.

[23] Spoo, D. (2014). Energieautarkes Haus: Intelligent verschwenden. Tillgänglig: http://www.talisonline.de/2013/01/energieautark-haus-okologisch-bauen-timo-leukefeld [2014-04/30].

[24] Ekstrands Dörrar & Fönster AB (2014). Passivhus fönster EC/90 Plus+. Tillgänglig: http://www.ekstrands.com/produkter/fonster/inatgaende-fonster/inatgaende-fonster-sidohangt-ec90-plusplus [2014-05/13].

[25] Passivhuscentrum Västra Götaland (2014). Vem har rekordet i täthet? Tillgänglig: http://www.passivhuscentrum.se/node/4969 [2014-05/13].

[26] NIBE Energy Systems (2014). NIBE™ GV-HR110. Tillgänglig: http://www.nibe.se/Produkter/Ventilationsvarmevaxlare-FTX1/Ventilationsvarmevaxlare-FTX/NIBETM-GV-HR110 [2014-04/30].

[27] Boverket (2014). Myndigheten för samhällsplanering, byggande och boende. Tillgänglig: http://www.boverket.se [2014-05/12].

[28] Ekologiska Byggvaruhuset AB (2014). Avloppsvärmeväxlare - värmeåtervinning ur duschvatten. Tillgänglig: http://www.ekologiskabyggvaruhuset.se/716/avloppsvarmevaxlare-varmeatervinning-ur-duschvatten [2014-04/30].

[29] Åkeson, L. (2010). Marknadsöversikt små vindkraftverk i Sverige. (1) Falkenberg: Svensk Vindkraftförening. Tillgänglig: http://www.lrf.se/PageFiles/390/Marknadsöversikt små vindkraftverk 2010-01-14.pdf [2014-04/30].

[30] Väse ved (2014). Priser. Tillgänglig: http://www.väseved.se/bestallning.php [2014-04/30].

[31] Liss, J. (2005). Brännved - energiinnehåll i några olika trädslag. (1) Garpenberg: Högskolan Dalarna. Tillgänglig: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:du-1245 [2014-04/30].

[32] Energimarknadsinspektionen (2013). Ansluta till elnät. Tillgänglig: http://ei.se/sv/el/Ansluta-till-elnat [2014-05/17].

I

Appendix A: Nomenklatur Total solinstrålning mot en lutande yta Total direkt (beam) solinstrålning mot en lutande yta Total diffus solinstrålning mot en lutande yta Total reflekterad (ground) solstrålning mot en lutande yta

Global solinstrålning mot en horisontell yta (från STRÅNG-projektet)

Direkt solinstrålning mot en yta vinkelrät mot solen (från STRÅNG-projektet)

Diffus solinstrålning mot en horisontell yta Soltid Standardtid Standard meridian (här: (UTC+1)*15) i grader Longitud (här 13,34) i grader E(n) Equation of time, korrigering för soldagens längd n Dag på året, 1 ≤ n ≤ 365 B Aktuell soldag ω Timvinkel δ Deklination γ Azimutvinkel, avvikning från söder β Lutning av solcell/solfångare θ Instrålningsvinkel Zenitvinkel Φ Latitud Geometrisk faktor för direkt solinstrålning Anisotropiindex Utomjordisk instrålning mot en horisontell yta Solarkonstanten Albedo, reflektion av solstrålning från marken

Effekt genom väggen

Effekt genom golv

Effekt genom tak Direkt solinstrålning som träffar golvet

Direkt solinstrålning som träffar innerväggar

Effekt genom fönster Effekt genom luftläckage

Effektbehov för varmvatten Effekt från solceller Effekt från solfångaren Effekt från värmeregulatorn

Effekt från internvärme Effekt från människor i huset Effekt från elutrustningen i huset

Area väggen

Area golv

Area tak Area solceller Area solfångare

Area väggar och tak

Area kontrollvolym ackumulatortank Fönsterarea mot öst Fönsterare mot söder Fönsterarea mot väst

II

Fönsterarea mot nord Total fönsterare Värmegenomgångskoefficient för vägg

Värmegenomgångskoefficient för tak Värmegenomgångskoefficient för golv

Värmegenomgångskoefficient för isolering rund ackumulatortank Temperatur i huset Temperatur utomhus Temperatur mark Temperatur för ventilationsluften in i FTX-aggregatet

Omgivningstemperatur för ackumulatortanken Temperatur varmvatten Temperatur kallvatten Framledningstemperatur golvvärme

Returledningstemperatur golvvärme

Temperaturhöjning efter avloppsvärmeväxlaren Temperaturen som kommer tillbaka från solfångaren Temperatur för aktuell kontrollvolym Temperatur i ackumulatortanken i kontrollvolym 3

Densitet luft Densitet vatten Specifik värmekapacitet luft Specifik värmekapacitet vatten Specifik värmekapacitet byggnad

Volymflöde luft genom otätheter vid 50 Pa Minsta luftomsättning enligt BBR

Volymflöde varmvatten Volymflöde vatten i golvvärme

Andel volymflöde luft som läcker ut under vanliga driftförhållanden

jämförd med provtryckningen vid 50 Pa övertryck Verkningsgrad FTX-ventilationsaggregat Verkningsgrad solcell Verkningsgrad solfångare

Värmegenomgångskoefficient isolering ackumulatortank Vattenvolym för aktuell kontrollvolym

Kontrollfunktion för flöde från solfångaren vid aktuell kontrollvolym

Kontrollfunktion för returflöde från golvvärme och kallvattentemperatur

i Aktuell kontrollvolym N Antal kontrollvolymer Temperatur på vattnet som kommer från golvvärmen eller kallvatten

Massflöde vatten mellan kontrollvolym Massflöde vatten från solfångaren Massflöde vatten från golvvärmen och kallvatten ⁄ Temperaturskillnad per tidssteg för aktuell kontrollvolym

Andel eleffekt som kommer huset tillgodo BBR Boverkets byggregler FTX ventilation Mekanisk frånluftsventilation med värmeåtervinning SOC State of charge, laddtillstånd för batteriet Maxeffekt för vind- eller solkraftverk mätt i kW

Den area efter vilken byggnadens specifika energianvändning ska beräknas

III

Appendix B: Begrepp

Nära nollenergi byggnader Alla länder inom europeiska unionen har genom direktivet EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) [1] fått i uppdrag att se till att byggnaders energiåtgång minskar. I Sverige är det Sveriges Centrum för Nollenergihus (SCN) som tar fram kriterierna för vad en byggnad måste uppfylla för krav för att klassas som nära nollenergibyggnad. För en mer detaljerad beskrivning av de olika kravspecifikationerna se Sveriges Centrum för Nollenergihus [3]. Lagstiftningen kring husbyggandet tas fram av Boverket [27] och regleras i BBR (Boverkets byggregler).

Minergihus Krav på minergihus ligger mitt mellan BBR och kraven för passivhus.

Passivhus Passivhus har så liten värmeförlust att värmen som behövs kan transporteras in med luften som krävs för hygienbehovet. Till exempel får ett hus i Karlstad (klimatzon II) som är mindre än 400 inte använda mer än 59 ⁄ om den ej är eluppvärmd. Använder huset el som

värmekälla får den inte överskrida 29 ⁄ .

Nollenergihus Nollenergihus har små värmeförluster som ligger i storleksordningen för passivhus. Dessutom avger byggnaden energi till andra byggnader/konsumenter i samma storleksordning som den själv behöver över året sett.

Plusenergihus Plusenergihus går ett steg längre än nollenergihus. Den mängd energi som byggnaden avger över året ska vara högre än den själv behöver.

Off-grid eller ”självförsörjande” hus Det finns lite olika definitioner och tolkningar av vilka krav ett off-grid hus måste uppfylla. Det kan handla om allt från att vara helt självförsörjande på energi, mat, vatten, avlopp med mera till att inte vara uppkopplat till elnätet. Oftast finns inga krav på hur huset ska vara utformat eller vilka energislag som får användas.

I det här projektet tolkas off-grid som att huset inte får vara uppkopplat till elnätet och att all energi som behövs för att driva huset och förse människor med värme och ljus måste vara förnybar och komma från närområdet.

Solfångare Solfångaren omvandlar solstrålningen till värme. Oftast används en glykolblandning som värms upp av solen och sedan transporteras vidare för lagring i ackumulatortank eller för uppvärmning av till exempel en pool.

Solceller Solceller omvandlar solstrålning direkt till elektrisk energi. De producerar en likspänning som kan användas för att till exempel ladda batterier.

Primärenergi Energislag som inte har omvandlats av människan till ett annat energislag. Till exempel är ved primärenergi som kan eldas i ett kraftvärmeverk som då blir till el och värme som sekundärenergi.