Introduktion

Introduktion

Genom att nyttja en byggnads befintliga värmelagringsegenskaper kan dess effekt- och energibehov förflyttas under några timmar. Förflyttningen sparar energikostnader och möjliggör att förnybar energi kan användas i större utsträckning. Har byggnaden dessutom överskottsvärme vissa tider kan byggnadens energianvändning reduceras samtidigt som komfortproblem med övertemperaturer och behov av vädring minskar.

Värmetröghet är byggnadens förmåga att avkylas långsamt vid avbrott i värmetillförseln. Ju långsammare byggnaden kyls ut, desto större är dess värmetröghet. Värmetrögheten i en byggnad beror på hur stor värmemängd som finns lagrad i byggnaden och hur fort byggnaden läcker ut den lagrade värmen till omgivningen. Genom att aktivt nyttja värmetrögheten, med en god reglerteknik, kan ett gott inomhusklimat upprätthållas och energianvändningens miljöpåverkan minska samtidigt som kostnader för energi besparas.

 
Värmelagring

Värmelagring

Värmelagring innebär att värme lagras då det finns ett värmeöverskott för att sedan användas då det råder ett underskott av värme. Byggnadens stomme (ytterväggar, innerväggar, bjälklag, plattor, balkar och pelare) kan användas för att lagra värme, men även inredningsmaterial som möbler och inventarier. Denna förmåga hos ett material går att utnyttja under kortare perioder till exempel under ett eller några enstaka dygn.

Längre och mer omfattande värmelagring kan ske med direkta lagringssystem som ackumulatortankar och batterier eller i berggrunden, men det behandlas inte här.

Värmetröga byggnader

En byggnad vars stommaterial har hög värmelagringsförmåga och stor massa brukar kallas för en tung byggnad. Byggnadens värmetröghet beror på förmågan att lagra och sedan använda energi och beskrivs med byggnadens tidskonstant.

För en mycket hög värmetröghet behöver byggnadens värmeförluster minimeras. Byggnaden behöver vara lufttät och välisolerad med små köldbryggor samt ha en god värmeåtervinning ur ventilationsluften. Ju högre tidskonstant desto större är värmetrögheten och desto längre kan byggnaden behålla en tillräcklig inomhustemperatur vid ett energiavbrott.

En värmetrög byggnad har en lägre gränstemperatur, det vill säga den temperatur där värmesystemet kan stängas av, och ger därmed ett minskat energibehov vår och höst. Ett praktiskt exempel på en värmetrög byggnad är stenhus som sommartid är kallare en längre tid inpå sommaren och behåller värmen längre när det blir kallt på hösten.

Värmelagring i en väl reglerad byggnad

Överskottsvärme inomhus uppkommer vid tider då det finns mer så kallad gratisvärme från personer, hushållsapparater och solinstrålning än vad som krävs för att upprätthålla erforderlig inomhustemperatur. En byggnad med tung stomme kan dämpa svängningar i inomhustemperatur genom att lagra överskottsvärme till ett tillfälle då det är kallare inne, och extern värme behöver inte tillföras. Genom att dämpa stora temperatursvängningar kan inomhuskomforten förbättras.

Svängningar i inomhustemperatur kan också dämpas genom bra styrning av värmetillförseln så att det inte uppstår någon överskottsvärme.

För att värmelagringen ska ge en energibesparing krävs i huvudsak två saker;

  • bra värmelagringsförmåga i stommen
  • överskottsvärme under vissa tidsintervall.

I bostäder med ett värmesystem som via reglering undviker övertemperaturer spelar en god värmelagrande förmåga ofta mindre roll för energianvändningen. Men i bostäder med mycket lågt energibehov kan energilagring i stommen bidra till ytterligare energihushållning över dygnet genom att lagra överskottsvärme som alstras när värmesystemet inte behövs alls. Även om energibesparing spelar mindre roll kan en effektförflyttning vara av stor vikt.

 
Effektförflyttning

Effektförflyttning

Värmelagringsförmågan kan nyttjas mer aktivt genom att acceptera temperatursvängningar i inneluften inom rimliga gränser. Om värmesystemet stängs av vissa tider kommer byggnadens innetemperatur att minska. Ju mer värmetrög en byggnad är desto längre tid tar det innan den lägsta temperatur som kan accepteras nås. Värmesystemet behöver därefter sättas på så att byggnaden återigen kan lagra värme i stommen tills den är fullagrad. Detta ger möjlighet att lagra värme i stommen under timmar på dygnet när energipriset är som lägst eller då energi från förnybara energikällor finns tillgängliga för att sedan användas under tider med högt energipris eller då förnybara energikällor inte finns tillgängliga.

Med en prognos om när energipriset kommer att bli högt eller bara bestå av fossil energi kan dessutom värmelagringen ske i förebyggande syfte. Fältstudier har visat att en variation på inomhustemperaturen med ± 0,5°C inte upplevs negativt av de boende. Denna temperaturvariation är dessutom lägre än vad som många gånger är vanligt i befintliga bostäder. För en relativt tung byggnad visar fältförsöken att effektstyrning fungerar bra under några timmar två gånger under dygnet.

Smarta nät

Värmetrögheten i stommen kan nyttjas både för att spara energikostnader och för att minska byggnadens miljöpåverkan. Som enskild fastighetsägare skulle du kunna nyttja detta direkt om ditt energibolag erbjuder försäljning av energi timvis. Ofta är det timvisa energipriset lägre då energiproduktionen har låg andel av fossila energikällor vilket därmed också ger en miljönytta.

Det är dock relativt ovanligt att energibolagen erbjuder timvis debitering idag. En ökad efterfrågeflexibilitet, det vill säga att energikunden anpassar sin energianvändning utifrån olika signaler, har pekats ut av Energimarknadsinspektionen som en outnyttjad resurs för att få ned toppbelastning i kraftsystemet. Underlättande för att göra detta mer vanligt kan därmed förväntas komma i snar framtid och vi kan förvänta oss att fler energibolag kommer att erbjuda timvis debitering. System för detta kallas ofta för smarta nät.

Många gör stor skillnad

En större miljöeffekt blir det om detta tillämpas för många byggnader inom ett fjärrvärmeområde. Vid produktion av fjärrvärme används ofta flera produktionsanläggningar där den som har lägst produktionskostnad används kontinuerligt för att täcka det grundläggande behovet, så kallad baslast. Det är ofta spillvärme från industrin eller avfallsförbränning. Därefter läggs de mest kostnadseffektiva produktionsmetoderna på en efter en, varvid den mest kostsamma, som också ofta är den som har högst miljöpåverkan, läggs på toppen. Det är den, så kallade spetslasten, som påverkas om många byggnader kan jämna ut sitt effektbehov samtidigt. Den gemensamma effektminskningen kan innebära att värmeproduktionsanläggningar med hög miljöpåverkan helt eller delvis kan undvikas.

I ett fältförsök i Göteborg har det konstaterats att om befintliga flerbostadshus med betongstomme kan utnyttja värmelagring så ger det en effektreduktion i det aktuella fjärrvärmenätet med följd att en gasvärmepanna inte behövde användas.

Energimix en vecka i fjärrvärmenätet då laststyrningen användes i 20 procent av beståndet. Källa: Johan Kensby, ”Smart Energy Grids - Utilization of Space Heating Flexibility”.
 
När behovet är som störst

När behovet är som störst

Värmeeffektbehovet för uppvärmning av en byggnad är som högst kalla vinterdagar. Vid dimensionering av värmesystem tas hänsyn till dimensionerande vinterutetemperatur (DVUT), som är den lägsta medeltemperaturen under ett dygn som normalt inträffar under ett år.

Dimensionerande vinterutetemperatur beror på vilken ort som byggnaden är placerad i samt byggnadens värmetröghet.

Men effektbehovet beror också till stor del på hur mycket varmvatten som används. När flera duschar eller använder varmvatten samtidigt blir effektbehovet som störst.

Topparna för varmvattenanvändning ligger ofta vid morgon och eftermiddag och en mindre topp vid lunch. Betydande effekttoppar uppstår därmed under några få timmar kalla vinterdagar.

 
Så bestäms el- och fjärrvärmetaxa

Så bestäms el- och fjärrvärmetaxa

El och fjärrvärme behöver infrastruktur för att levereras till byggnaden. Energibolaget behöver investera i energinätet med dimensioner på kablar, rör, pumpar, mer eller mindre komplicerad infrastruktur, samt reservkraft eller eldningspannor för toppbelastning.

En byggnad med låg energianvändning har en liten påverkan på utbyggnad av energiproduktionen medan en byggnad med hög energianvändning påverkar dessa investeringar i större grad. Därför har energibolag inte bara rörliga kostnader utan tar också betalt för byggnadens effektbehov som ska täcka nätets infrastruktur. Denna avgift kallas vanligen årseffekt (eller även kallad abonnerad effekt eller debiteringseffekt).

Det finns olika sätt att räkna ut årseffekten. En del energibolag mäter några av de högsta effektbehoven under vinterhalvåret där medelvärdet ger årseffekten. Andra tar fram en så kallad effektsignatur, det vill säga effektbehov vid olika utomhustemperaturer, och fastställer årseffekten vid en viss utomhustemperatur. Effekten kan baseras till exempel på dygnsmedeleffekt eller timeffekt. Det blir allt vanligare att energikostnaderna har en allt högre andel baserad på effektbehovet.

En effektivisering eller reduktion av byggnadens toppeffekt ger resultat på energiräkningen först efter nästkommande år. Detta gör att det kan var svårt att följa upp effektiviseringen till skillnad mot en energibesparing som kan ge utslag redan vid nästa månads energiräkning.

 
Så kan du påverka effekten

Så kan du påverka effekten

Effektvakt på varmvatten. En effektvakt på varmvatten är ett relativt enkelt sätt att få ned byggnadens toppeffekt. Effektvakten styr uttaget från värmebolaget på så sätt att när många människor använder varmvatten så sänks effekten för uppvärmning eller stängs helt av beroende av byggnadens värmetröghet. Ju högre värmetröghet byggnaden har desto längre tid kan effekt till uppvärmning stängas av utan att det märks på inomhuskomforten. Detta kan styras direkt efter varmvattenuttag eller genom tidsstyrning till exempel att effekt till uppvärmning stängs av mellan sex och åtta på morgonen då det är vanligt att många duschar i den aktuella byggnaden.

Dialog med ditt energibolag. I nästa steg kan byggnadens värmetröghet nyttjas mer effektivt efter timvisa prissignaler på energin. Ännu är det dock relativt ovanligt att energibolagen kan erbjuda timvisa debiteringar av energi. För att råda bot på det kan flera fastighetsägare gå samman och föra en gemensam dialog med energileverantören.

Genom att tillåta att fjärrvärmebolaget får nyttja byggnadens värmetröghet inom vissa temperaturintervall kan ni komma överens om en lämplig prisreduktion. Fjärrvärmen kan då produceras med lägre miljöpåverkan och det resulterar i bättre siffror i både fastighetsföretagets och fjärrvärmebolagets hållbarhetsredovisningar, en vinst för båda aktörer.

Forma en styrstrategi

I områden där byggnader förses med el (direktverkande el, elpannor och värmepumpar) som uppvärmning kan en sådan dialog föras med elnätsbolaget. Elpriser är dessutom ofta höga på morgonen och eftermiddagen vilket ofta sammanfaller med en hög hushållselanvändning som ger överskottsvärme och det kan därmed även av komfortskäl vara önskvärt att reducera värmeeffekten. Omvänt är värmetillskottet lågt under natten samtidigt som elpriserna är låga, varför en effektökning är motiverad vid detta tillfälle.

Utgångspunkten för att formulera en styrstrategi kan vara att högre elpriser infaller ofta mellan klockan 7 och 9 och 17 och 20 och att lägre elpriser föreligger mellan klockan 5 och 7. Sedan 2012 finns en lag som ger konsumenter rätt att begära timmätning av el utan extra kostnad.

Så kan du styra värmedistributionen

Styrning för att nyttja värmetröghet innebär att start och stopp av byggnadens värmesystem ändras så att effektbehovet jämnas ut. Detta kan göras genom huvudsakligen två huvudstyrstrategier:

1. Prognosstyrning där värmelagrets påfyllningsbehov då väderförändring förutses och värmesystemet kan stängas av långt innan utetemperaturen sjunker och istället värms byggnaden av värmelagret i stommen.

Exempel på styrning med både utomhusgivare och inomhusgivare.

2. Inomhusgivare som beaktar interna värmelaster och på så sätt kan reagera på om värmelagret urladdas. Styrstrategier och beräkningar genomförs för att nyttja byggnadens tidskonstant så att byggnaden regleras idealt. En energibesparing blir det om det utan systemet skulle ge överskottsvärme från internvärme som inte nyttjas. Som till exempel vädras bort istället för att lagras i byggandens stomme, för att nyttjas i ett senare tillfälle.

Vanligen regleras värmesystem idag till stor del enbart på utomhustemperatur. Det gör att det är vanligt att inomhustemperaturen varierar eftersom värmebehovet beror av många faktorer så som vind, solinstrålning och brukarnas aktiviteter. Installation av ett styrsystem som också reglerar på inomhustemperatur och andra väderparametrar, det vill säga ideal reglering, kan ge en möjlig energibesparing upp mot 10 % samtidigt som det ger en mer stabil inomhustemperatur.

Besparing i samma storleksordning kan ofta åstadkommas genom byte av termostater och injustering av radiatorer i ett äldre flerbostadshus, dvs ett annat sätt att åstadkomma ideal reglering.

Genom att dessutom acceptera små svängningar i inomhustemperaturer, under kontrollerade former, kan effektbehovet flyttas i tiden med minskade energikostnader och lägre miljöpåverkan som följd.

 
Rätt utformning viktigast

Rätt utformning viktigast

Varken tunga byggmaterial eller värmeisolering värmer byggnader. Rätt kombinerade kan de dock vara viktiga komponenter vid projektering av nya byggnader.

För att en byggnad ska ha hög värmetröghet krävs att den har

  • bra värmeisoleringsförmåga
  • bra värmelagringsförmåga
  • att byggnadsstommen är rätt utformad

Materialet med stor värmelagringsförmåga bör ligga innanför isoleringsskiktet. Om isoleringsskiktet ligger mellan inomhusluften och byggnadsstommen försvåras det för värmen att nå stommen.
Den termiska lagringsförmågan minskar påtagligt om värmeutbytet mellan rummets ytskikt och luft förhindras av exempelvis isolerande väggbeklädnader, heltäckande bullerabsorbenter, undertak eller heltäckande mattor. Med en god projektering kan detta lösas utan att behöva ge avkall på andra viktiga egenskaper såsom akustik och estetik.

Vad är "tidskonstant"?

Byggnadens värmetröghet beskrivs med en byggnads tidskonstant som betecknas med den grekiska bokstaven τ (tau). Ju högre byggnadens tidskonstant är desto större är värmetrögheten.

Byggnadens tidskonstant kan för byggnad med väl definierad massa innanför isoleringen beräknas enligt:

Formeln visar vad som påverkar tidskonstanten. Högt värde och därmed även hög värmetröghet hos byggnaden får man om det som står över bråkstrecket görs så stort som möjligt och det som står under så litet som möjligt. Därmed kan även lätta byggnader nå hög värmetröghet om man satsar på god värmeisolering av klimatskärmen, ventilation med effektiv värmeåtervinning och hög lufttäthet.

För att få en hög värmetröghet räcker det alltså inte att man lagrar värme i material med hög värmelagringsförmåga, man måste även minimera byggnadens värmeförluster. Den lagrade värmen ska inte försvinna ut genom klimatskärmen eller ventileras bort utan finnas kvar och återgå till inomhusluften när temperaturen börjar sjunka. Värmetrögheten kan också påverkas av byggnadens inredning med möbler och inventarier

Tidskonstanten har vanligtvis ett värde mellan 1 och 12 dygn. Schablonvärden för tidskonstanten i befintliga byggnader med normal isolering är:

  • Lätt byggnad: 40 h (lätt stomme och krypgrund)
  • Halvlätt byggnad: 75 h (lätt stomme och betongplatta på mark)
  • Halvtung byggnad: 150 h (tung stomme, bjälklag av betong och lätta utfackningsväggar)
  • Tung byggnad: 200 h (tung stomme, bjälklag av betong och ytterväggar av betong innanför isoleringen)

Värmelagring i lokaler

I lokaler finns ofta överskottsvärme som kan lagras dagtid, och på så sätt minska kylbehovet dagtid, och sedan avges på natten vilket då kan minska uppvärmningsbehovet. I lokaler kan också värmelagringsförmåga i stommen användas till exempel genom att kall nattventilation kyler ner stommen. Sedan kan den kalla stommen ta upp värme under dagen från överskottsvärme och på så vis kan behov av komfortkyla minskas eller undvikas, samtidigt som värmebehovet minskar.

I lokaler kan det finnas möjligheter för energibesparing i samband med nyttjande av värmelagring.

 
Så kommer du igång!

Så kommer du igång!

I äldre flerbostadshus med relativt högt värmebehov kan bättre reglering av värmesystemet på ett effektivt sätt undvika övertemperaturer och ge en energibesparing. Om byggnaden dessutom är värmetrög kan värme kostnadseffektivt lagras direkt i byggnadens stomme (ytterväggar, innerväggar, bjälklag, plattor, balkar och pelare). Genom att nyttja den förmågan kan en byggnads effekt- och energibehov förflyttas i tid, vilket i sin tur ger möjlighet att använda energi när den har låg kostnad och bra miljövärden. Ett annat enkelt sätt att minska flerbostadshusets toppeffekt och därmed energikostnader att använda en effektvakt för tappvarmvatten. En sammanlagrad effektförflyttning i flera byggnader ger stora möjligheter att både nyttja förnybar energi i större utsträckning och att minska produktionskostnaderna för energin. Det här kan du börja med redan idag och störst nytta får du genom att kombinera flera av dessa:  

  • Sätt effektvakt på varmvattenberedningen och minska din energitaxa för toppeffekt.  
  • Kontakta ett installatörsföretag för att installera bättre reglering för värmesystemet antingen genom byte av termostater och injustering av radiatorer eller genom ett reglersystem som tar hänsyn till inomhustemperatur till exempel i kombination med väderprognos.
  • Ta kontakt med energibolaget och fråga om dom har, eller planerar att ha, erbjudanden om köp av energi per timme, så kallade smarta nät-erbjudanden. Det ger dig möjlighet att direkt nyttja värmetrögheten i din byggnad och därmed minska din energikostnad. Vartefter energibolagen skiftar till ökad fossilfri produktion och belastningen i energinäten når sin gräns kommer efterfrågeflexibilitet att bli alltmer vanligt.
  • Gå samman med flera fastighetsägare i ditt område och för tillsammans en dialog med områdets energibolag. Genom gott samarbete kan en sammanlagrad effektstyrning av värmesystemen i flera byggnader genomföras vilket kan leda till en förbättrad energiproduktion med minskade kostnader och minskad påverkan på miljön.
 
Referenser

Referenser

E. Berg-Hallberg och F. Peterson. ”Dimensionerande utetemperatur”, Klimat och byggnader del 2, KTH, 1986.

Simon Burman och Viktor Johansson, ”Energilagringsteknik, Latent värmelagring i byggnader”, Examensarbete, Institutionen for tillämpad fysik och matematik, Umeå Universitet, 2011.

Emmy Dahlström och Linus Rönn, ”Optimization of Night Cooling in Commercial Buildings Using Genetic Algorithms and Neural Networks”, Master’s thesis in Structural Engineering and Building Technology, Chalmers tekniska högskola, 2017.

Tobias Danielsson, ”Ackumulering av tappvarmvatten och andra metoder för effektutjämning av fjärrvärme”, Examensarbete för civilingenjörsexamen i Energiteknik, EN1611, Umeå Universitet 2016.

Victor Fransson, “Investigating Dwellings’ Response to Heating Power Cuts - Simulations and Field Tests”, Licentiate Thesis TVIT-3007, Building Services, Lund University, 2017.

Peter Fritz, Erika Jörgensen och Stefan Lindskoug, “Att följa elpriset bättre, Prismodeller och styrteknik i fältförsök”, Elforsk rapport 09:70, 2009.

Elisabeth Hildebrand, ”Kompletterande styrsystem för vattenburna värmesystem i flerbostadshus, Kartläggning av styrsystem och erfarenheter”, Examensarbete, Lunds Universitet, 2017.

Jonathan Karlsson, “Possibilities of using thermal mass in buildings to save energy, cut power
consumption peaks and increase the thermal comfort”, Report TVBM-3164 Licentiate thesis, Lund University, 2012.

Johan Kensby, ”Smart Energy Grids - Utilization of Space Heating Flexibility”, Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola, ISSN 0346-718X, 2017.

Johan Kensby, Linnea Johansson, Samuel Jansson, Jens Carlsson,
”Värderingsmodell för efterfrågeflexibilitet”, Energiforsk rapport 2019:564, 2019.

Eva-Lotta Kurkinen & Henrik Karlsson, ”Energi och klimateffektiva byggsystem med hjälp av modellbaserad prognosstyrning”, SP Rapport 2015:67, 2015.

Mona Norbäck, Lars Ekberg och Peter Filipsson, ”Utvärdering av överordnad styrning av ventilation, värme och kyla, Utvärdering av nytt styrsystem i modern kontorsbyggnad”, LÅGAN rapport, november 2015.

Daniel Olsson ”Modellbaserad styrning av värmesystem baserat på prognostiserat väder - En jämförelse med andra reglerstrategier”. Licentiate thesis, Chalmers University of Technology, 2014.

Jens Persson och Daniel Vogel, ”Utnyttjande av byggnaders värmetröghet - Utvärdering av kommersiella systemlösningar”, Examensarbete, Rapport TVIT--11/5030, Lunds Tekniska Högskola, 2011.