Slik velger du termisk energiforsyning

Utgangspunktet for å optimalisere varme- og kjølesystemer er netto energibehov og energibudsjett med termiske energiposter: romoppvarming, ventilasjonsvarme, varmtvann, romkjøling og ventilasjonskjøling.  Det kan også være nyttig å inkludere strømbehov for å beholde overblikket over behovet for levert energi. For å beregne levert energi for en bygning, trenger du netto energibehov og virkningsgrader for energiproduksjon, distribusjon og romregulering.

• Produksjonsvirkningsgrad forteller hvor effektiv produksjonen er, og er større enn 1 for systemer som solfanger og varmepumper. De trenger mindre tilført energi (som oftest strøm) enn den energien som kommer ut av produksjonen. Produksjonsvirkningsgraden er mindre enn 1 for systemer som har tap, som forbrenningsprosesser og fjernvarmevekslere.
• Distribusjonsvirkningsgrad beskriver hvor effektivt energien distribueres internt i bygget. For alle vanlige bygg er denne virkningsgraden alltid mindre enn 1, fordi alle termiske systemer i vanlige bygg taper energi underveis.  De viktigste faktorene som påvirker distribusjonsvirkningsgraden er temperatur i rørene, isolering av rørene og omgivelsestemperatur.
• Romreguleringsvirkningsgrad beskriver hvor effektivt energien tilføres rommet. Her inngår faktorer som type regulering, type og plassering av varmeavgiver.

Eksempler på systemvirkningsgrader

Systemvirkningsgrad eller effektfaktor for et energisystem er produktet av verdiene for produksjon, distribusjon og romregulering. Denne tabellen viser noen konkrete eksempler:

SN/TS 3031:2016 – Bygningers energiytelse – Beregning av energibehov og energiforsyning

Lavtempererte anlegg blir stadig viktigere

Som tabellen over viser, er tur- og returtemperatur viktige størrelser for å sikre effektive løsninger. Ifølge teknisk forskrift (TEK17) skal bygninger med over 1000 m² oppvarmet BRA tilrettelegges for bruk av lavtemperatur varmeløsninger. Veilederen definerer dette som turtemperaturer på 60 °C eller lavere.

For varmepumpesystemer gir lavere tur-temperatur betydelige gevinster: Som tommelfingerregel er det vanlig å anslå at effektfaktoren blir 2-3 % høyere per grad lavere temperaturløft. Jo større areal varmeavgivere har, jo lavere turtemperatur kan du ha. Derfor er gulvvarme mer gunstig enn radiator for varmepumpen sin del. Lavere tur-temperaturer enn 55 °C er i utgangspunktet ønskelig for de fleste typer varmepumpeløsninger.

Aktuelle løsninger for en energieffektiv barnehage

Erichsen & Horgen har prosjektert en barnehage på 1512 m² som skal bli plusshus. Derfor er det svært viktig å redusere behov for levert energi, siden det dette påvirker behovet for lokal energiproduksjon. Utgangspunktet for å vurdere energiløsninger er energibudsjettet som vist i denne tabellen:

Netto energibehov til oppvarming er summen av 1a og 1b: 37600 kWh. KILDE: Erichsen & Horgen.

Fjernvarme versus varmepumper

Tre alternativer er vurdert for å løse det termiske energibehovet i barnehagen:

• Fjernvarme-løsning: Fjernvarme og kjøling med kjølemaskin, 80°C /60 °C, radiator
• Varmepumpe-løsning 1: Brønnpark, 60°C /40 °C, normalt isolert anlegg, frikjøling mot brønnpark, gulvvarme
• Varmepumpe-løsning 2:  Brønnpark, 35°C /25°C, godt isolert anlegg, frikjøling mot brønnpark , egen CO2-varmepumpe for tappevann, gulvvarme på isolert dekke.

Systemvirkningsgrader/effektfaktorer for disse tre alternativene:

Verdiene for frikjøling mot brønnpark i varmepumpeløsningene, og verdier for varmepumpene i varmepumpe-løsning 2 er ikke basert på standardverdier, men på egne vurderinger gjort i dette prosjekt.

Stor forskjell på levert energi

Ut fra disse faktorene beregnes levert energi for de ulike løsningene. For å dekke netto energibehov på 97600 kWh, blir levert energi for

• fjernvarmealternativet: 116 400
• varmepumpeløsning 1: 68 700
• varmepumpeløsning 2: 56 800

Den mest effektive varmepumpeløsningen kan med andre ord halvere behovet for levert energi sammenlignet med fjernvarme-alternativet. Og det reduserer behov for levert energi med 18 % sammenlignet med standard varmepumpeløsning.

En optimalisering som denne er ikke særlig kostbar, men krever mer omhu når du velger systemløsning og komponenter. Du må også ha kunnskap om samspill mellom forskjellige komponenter i systemet.

Hvis barnehagen skulle forsynes med strøm fra solceller, vil en forholdsvis optimal vinkel på taket og godt produktvalg kunne gi en årlig produksjon i størrelsesorden 170 kWh per m² solcelle. For den beste varmepumpeløsningen må summen av levert energi over året være 56800 kWh – og til det trenger prosjektet bare 334 m² solceller.

Installert effekt driver kostnader

Den installerte effekten for romoppvarming og ventilasjonsvarme er en driver for kostnader, og som prosjekterende bør du derfor ha et avklart forhold til installert effekt.

Tidligere var det vanlig å tenke at overdimensjonerte anlegg sikrer robusthet og fleksibilitet.
Nå er oppmerksomheten flyttet over på kostnader: Overdimensjonerte anlegg øker kostnader til investering, drift og energi, det gir dårlig arealutnyttelse og kan bety at man velger feil løsning og energitiltak. Anlegg som går på lav dellast gir ineffektiv drift og unødvendig høye energikostnader.

Tre tips når du skal bestemme effektbehov

Viktige hensyn du bør ta når du bestemmer effektbehov, kan oppsummeres slik:

• Når du beregner effektbehov til varmeavgivere og distribusjon på romnivå, bør du heller lene deg i konservativ retning og dimensjonere romslig. Dette gir robusthet for eventuelle byggefeil og endrete behov, og vil i vanlig drift bidra til at anlegget kan driftes med lavere turtemperatur. Det er særlig gunstig i varmepumpeanlegg.
• Når du dimensjonerer hoveddistribusjon i sjakter og annet, kan anlegget med fordel være romslig. Dette gir lavere trykktap og robusthet for eventuelle endring i behov.
• Når du dimensjonerer pumper og energiproduksjon i energisentralen, bør du være nøktern slik at størrelsen på komponenter er tilpasset behovet, med moderat sikkerhetsmargin. Dette gjelder særlig når du dimensjonerer varmepumper og kjølemaskiner.

Her er det lett å gjøre feil slik at du overvurderer effektbehovet, for eksempel ved å forutsette infiltrasjon i alle rom i bygget samtidig, eller at du regner med samtidig 100 % drift på både radiatorer, ventilasjonsanlegg og tappevann. Begge scenarioer er svært usannsynlige. For eksempel vil ikke ventilasjonsanlegget går for fullt før bygget har nok/mye internvarme, og da vil ikke romvarmebehovet være maksimalt samtidig. Likevel er dette vanlige – og feil –  forutsetninger når dimensjonerende effekt beregnes.

Sørg for effektiv drift

Særlig for kombinasjonsløsninger som varmepumpe i grunnlast med en spisslast som har rimeligere effektkostnad, er det viktig å kjenne varighetskurven for forventet virkelig drift. Da kan du velge hovedkomponenter i korrekt størrelse.

Du bør også gjøre en realistisk vurdering av driftsmønster, fordi endringer i driftsmønster kan endre både som hva er den mest optimale energiforsyningen, og hvilke størrelser enkelt-komponenter bør ha.

Det er også viktig å legge til rette for mest mulig effektiv drift. For eksempel kan det være gunstig med to eller flere varmepumper som trinnes inn etter behov, i stedet for en stor som må gå på dellast mye av tiden.