Svenberg rapport 2006 - Regenair Scandinavia by Noboxsolutions

Sven A. Svennberg

2006

Värmeåtervinning ur ventilationsluft en lönsamhetsfråga för brukare och fastighetsägare, en miljöfråga för samhället Sven A. Svennberg, professor (em) i drift och underhåll av byggnader Det torde i dag inte råda någon tvekan i fråga om behovet av en kvalificerad värmeåtervinningsutrustning i varje ventilationssystem. Det är dock av vikt att byggherren ser investeringen inte som ett korttidsengagemang utan som en investering med sikte på en livstid i storleksordningen 30 år. Den prisökning på energi, som vi har att motse, gör att en investering i återvinningsutrustning blir lönsammare än vid ett energipris som endast följer inflationstakten. Livstidskostnaden bör varje leverantör kunna presentera på ett åskådligt sätt. Entreprenören bör kunna beräkna drift- och underhållskostnaderna och därmed ge byggherren en fullgod beskrivning i tekniska och ekonomiska termer för den föreslagna installationen. Endast cykliska värmeväxlare (roterande värmeväxlare och kammarvärmeväxlare), se Figur 1, kan utformas för att ge så hög verkningsgrad med rimlig byggnadsvolym att ingen eftervärmning av tilluften efter värmeväxlaren behövs.

Tyresö i januari 2006 Sven A. Svennberg Roterande Värmeväxlare

Kammarväxlare, Fas 1

Frånluftens värme absorberas i kammare E2. Tilluften värms i kammare E1.

Kammarväxlare, Fas 2

Bild: Svensk Ventilation

Frånluftens värme absorberas i kammare E1. Tilluften värms i kammare E2. Figur 1. Cykliska värmeväxlare Sida 1 av 9

Sven A. Svennberg

Sammanfattning  En betydande del av energiomsättningen inom den industrialiserade världen kommer från användning av ventilationssystem. I artikeln belyses verkan av effektiva värmeåtervinningssystem. Ofta är lönsamheten för investering i återvinningssystem så god (för industrin: återbetalningstiden är så kort), att rent egoistiska lönsamhetsaspekter gör det intressant att nyttja tillgängliga goda lösningar för att råda bot på driftkostnadsproblemet.  Dagens energidebatt handlar om behovet av att minska energiomsättningen, dels för att begränsa utsläpp till omgivningen, dels för att minska driftkostnaderna. Utveckling av nya system torde inte vara problemet, mera frågan om lönsamhet i investering av kompletterande system i redan uppförda byggnader.  Endast cykliska värmeväxlare (roterande värmeväxlare och kammarvärmeväxlare) kan utformas för att ge så hög verkningsgrad med rimlig byggnadsvolym att behovet av eftervärmning av tilluften efter värmeväxlaren bortfaller.  Den förenklade systemutformningen ger utrymmesbesparing och minskar antalet komponenter med felrisk. En verkningsgrad på cirka 90 % uppnås ofta i denna typ av värmeväxlare.  Av de cykliska värmeväxlarna är kammarvärmeväxlaren oftast att föredra, eftersom den har färre rörliga delar, kan förses med tätande spjäll och är lätt rengörbar.  I Tabell 1 redovisas egenskaper hos de vanligaste typerna av värmeåtervinnare för ventilationsluft.  Tabell 2 och Diagram 1 visar utfallet för ett antal studerade systemlösningar vid ett luftflöde av 3 m3/s.  Man kan konstatera att livstidskostnaden för drift och underhåll är långt större än investeringsbeloppet

1. Vinst genom lägre livstidskostnad: se på investering, drift och underhåll I många fall ser köparen i första hand på investeringsbeloppet, det som han oftast benämner "kostnaden" för den önskade förnödenheten. Den som bara ser på inköpspriset har försummat att beräkna livstidskostnaden för den apparat eller det system han avser att köpa. För apparater och system är livstidskostnaden flera gånger större än investeringsbeloppet, se Diagram 3. Om man emellertid kan bringa ned drift- och underhållskostnaderna under brukstiden vinner man också att totalkostnaden minskar. En studie avseende värmeåtervinnare bör därvid innehålla inte bara värmeväxlaren utan också de komponenter och system som påverkar totalbilden, t. ex. värmeförsörjningssystem och fläktar. Med hjälp av en tillräckligt god värmeåtervinnare slipper man investera i tillsatsvärmningssystem och får ett väsentligt enklare system, se Diagram 2. Samtidigt minskar naturligtvis antalet komponenter att underhålla, och risken för frostskador på tillsatsluftvärmare bortfaller. Sida 2 av 9

2006

Sven A. Svennberg

2006

Tabell 2 och Diagram 1 visar i exemplets form visar ett exempel på kostnadskalkyl för ett system med luftflödet 3 m3/s (10 800 m3/h), där de huvudsakliga livstidskostnaderna för ett ventilationssystem med och utan värmeåtervinnare har beaktats. Det finns anledning att peka på inverkan av realräntan (överslagsvis marknadsräntan, antag 6%, minskad med inflationen 2%/år). Ju högre realräntan är, desto mindre blir nuvärdet av en framtida besparing och naturligtvis också nusumman av alla de framtida årliga besparingarna. Denna verkan illustreras i Tabell 3. I dagsläget, med låg realränta, blir verkan av en framtida besparing mera markant än vid hög ränta. Nusummefaktorn för 30 års drift, som vid 10 % realränta är cirka 9,4, blir i dagsläget, med 4 % realränta 17,3. Besparingen blir alltså nära två gånger värdefullare vid den lägre räntenivån. I de redovisade kalkylerna har en brukstid av 20 år valts för att man med säkerhet inte skall överdriva värdet av investeringens driftutfall. Nusummefaktorn vid 4 % realränta och 20 års brukstid är 13,6. Energiprisstegring utöver inflation med 2%/år, en relativt rimlig uppskattning av befarad prisökning på elenergi och bränslen, ger realräntan 2% och nusummefaktorn 16,4.

2. Miljövård, energihushållning och kostnad för olika lösningar Agenda 21, överenskommelse om begränsning av användningen av jordens resurser och plan för en hållbar utveckling, har fått stort genomslag. Alla kommuner arbetar med program härför, de flesta industrier utarbetar miljöstrategier för sin tillverkning, och många privatpersoner strävar efter att nyttja resurserna långsiktigt genom återanvändning och källsortering. Energihushållning och lägre driftkostnader är oftast direkt samhörande storheter. Låg livstidskostnad, vilket alla fastighetsägare önskar sig, har därför samtidigt som följdverkan att ge den hushållning med resurser som ingår i dagens planeringssystem för ett långsiktigt, effektivt nyttjande av jordens resurser. Vid bedömning av miljöpåverkan av en investering (beräkning kan vara en alltför precisionsbetonad term i detta fall) är det oftast fråga om att se på hur närmiljön påverkas av investeringen. Det är därvid en god minnesregel att investeringen oftast kan översättas ganska direkt i ett motsvarande energibelopp. Med dagens teknik blir därmed oftast också slutsatsen, att uppoffrad energi har påverkat omgivningen i samma grad, oftast genom koldioxidutsläpp och andra påverkande utsläpp. Ju lägre investeringsbelopp man kommer till desto mindre borde alltså miljöpåverkan vara. Detta är emellertid inte ens halva sanningen. I de allra flesta fall kommer miljöpåverkan av investeringen att fortgå under hela brukstiden för den gjorda investeringen. Det blir därmed totala livstidskostnaden som avgör miljöpåverkan.

3. Teknisk lösning förenklar och förbilligar systemet De allmänna egenskaperna hos olika typer av värmeväxlare för ventilationsluft redovisas i Tabell 1. Om den installerade värmeåtervinnaren har tillräckligt hög verkningsgrad kan ett ventilationssystem med värmeåtervinnare i många fall byggas utan eftervärmare. Värmealstringen i lokalen kan nämligen ge det extra värmetillskott som krävs för att kompensera för en viss undertemperatur på tilluften. Se Diagram 2 (hämtat ur dimensioneringsunderlag från HEWARK, Henry Willman AB).

Sida 3 av 9

Sven A. Svennberg

2006

Man finner att en återvinnare med 90 % temperaturverkningsgrad kan ge cirka 18 grader C tilluftstemperatur ned till en utetemperatur av –18 grader C, medan en värmeväxlare med 80% verkningsgrad kräver tillsatsvärme redan från cirka 2 grader C. Investeringen i styr- och reglersystem kan minskas om eftervärmning slopas. Vidare försvinner den risk för läckor i vattenvärmesystem som föreligger, oftast på grund av frostskador. Genom att en värmeåtervinnare med hög verkningsgrad används kan också installerad värmeeffekt i byggnaden minskas. Pannstorlek eller fjärrvärmeeffekt blir lägre. Genom lågt effektbehov för ventilation får byggnaden också en större tidkonstant, dvs tål avbrott i värmetillförseln eller köldknäppar under längre tid.:

4. Praktiska aspekter på ventilationssystem med värmeåtervinning 4.1 Användningsområden för cykliska värmeåtervinnare Med dagens täta byggnadskonstruktioner är det i regel nödvändigt att byggnaden utrustas med fläktstyrd ventilation. Merkostnaden för att samtidigt installera värmeåtervinning är i regel betald på kort tid. Det finns egentligen ingen anledning att någonsin avstå från hög verkningsgrad på värmeåtervinnaren. Valet blir då som regel en cyklisk värmeväxlare (roterande modell eller kammarmodell). En nackdel med cykliska värmeåtervinnare är risken för återföring av lukter (i industriella sammanhang även farliga gaser eller brandavskiljning, i sjukhus återföring av smittoämnen). I dessa fall, där säkerhetsfrågan väger tyngre än kostnadsaspekten, väljer man statiska värmeåtervinnare. Det kan i vissa fall vara önskvärt att inte återvinna fukt ur frånluften. Då bör man välja en statisk värmeväxlartyp, varigenom till- och frånluft hålls åtskilda. Det då viktigt att dräneringssystem anordnas på sådant sätt att kondensat inte ansamlas eller fryser. Även vid små luftflöden kan det vara lönsamt med fläktstyrd ventilation och värmeåtervinning. Radonsanering och bekämpning av allergi är typiska fall för användning av kvalificerade typer av värmeväxlare.

4.2 Rengöring av värmeåtervinnare Plattvärmeväxlare och kammarvärmeväxlare kan som regel rengöras genom spolning med varmvatten om godstjockleken i värmeväxlarmaterialet är tillräcklig för att tåla en sådan behandling. Materialet i roterande värmeväxlare är som regel så tunt att det inte bör utsättas för spoltryck. Bättre är att använda försiktig renblåsning med tryckluft. I många fall kan ett byte av rotor bli nödvändigt, speciellt om lamellerna skadats genom mekanisk åverkan. Tidsintervall för rotorbyte torde erfarenhetsmässigt ligga vid cirka 15 år.

4.3 Installationsproblem Vid nyinstallation torde det vanligtvis inte vara problem med utrymmesbehov för en kvalificerad värmeåtervinnare, som oftast är inbyggd i ventilationsaggregatet. Vid installation i redan idrifttagna byggnader bör transportvägar och rumshöjder beaktas inför valet av system. Det kan ibland vara svårt att sammanföra alla kanalsystem till en gemensam punkt, aggregatrummet. Systemen kan då delas, förslagsvis per trapphus. En sådan uppdelning ger vanligen högre kostnad för installationen Sida 4 av 9

Sven A. Svennberg

2006

men kanske lägre byggkostnad (genom lägre bygghöjd) och framför allt ökad säkerhet med avseende på brandavskiljning.

Litteraturreferenser The economics of climate change, UK Parliament, House of Lords, July 6th, 2005.Innehåller kritiska synpunkter på IPCC med avseende på bristande vetenskaplighet

installationer, Stockholm 1994 (Profitability Calculation, Tallinns Tekniska Universitet 1994)

Radon i bostäder, läget i Stockholms län. Länsstyrelsen i Stockholms län, miljöskyddsenheten. Rapport 2000:4

Svennberg, S.A: Handbok i drift och underhåll av byggnader och installationer KTH Installationsteknik, Stockholm 1996

Jelbring Hans: Wind Controlled Climate, Doctoral Thesis , Stockholm University,

Myrefelt, Sonny: Modell för erfarenhetsåterföring av driftsäkerheten i klimat-och ventilationssystem. Licentiatavhandling KTH Installationsteknik, Stockholm 1996. ISSN 0284-141X.

Paleogeophysics & Geodynamics, 1998

Vår uppgift efter Rio, svensk handlingsplan inför 2000-talet. Miljövårdsberedningen, Sockholm 1992. SOU 1992:104. ISBN 91-38-13185-4.

Miljö på jobbet. Tidskrift Arbetarskyddsstyrelsen, Publikationsservice, Solna.

Månsson LG, Svennberg SA: Behovsstyrd ventilation i lokaler. Sammanfattning av käll-skriften D2:1993:"Demand Controlled Ventilating Systems - Source Book". BFR T20:1993, Stockholm 1993. ISBN 91-540-5567-9.

från

Lindvall, Malmström, Svennberg: Ventilations-systems funktion, utformning och drift. BFR R16:1990. Stockholm 1990. ISBN 91-540-5162-2.

Svennberg, S.A: Värmeåtervinning ur ventilationsluft. VVS-tekniska föreningens handbok H2,

Svennberg SA (huvudredaktör): VVShandboken, tabeller och diagram. VVS-tekniska föreningen, Stockholm 1974.

Stockholm 1989. ISBN 91-971262-0-9. Svennberg S.A: Lönsamhetskalkyl vid investering i energisparande system. KTH Byggnader och

Sida 5 av 9

Sven A. Svennberg

2006

Tabell 1. Översikt över värmeväxlartyper och deras egenskaper Typ av värmeåtervinnare

Egenskap

Anmärkning

A. Cyklisk värmeväxlare

Värmelagrande återvinnare vars ackumulatorytor omväx- lande kommer i kontakt med värmande och värmt medium Värmeväxlare där ackumulator är utformad som en rotor som genomströmmas omväxlande av värmande och av värmt medium

Viss överströmning sker mellan värmande och värmt medium

Roterande värmeväxlare Verkningsgrad ca 70 %

Rotorn kan vara hygroskopisk för att överföring av fukt skall underlättas. En s k renblåsningszon minskar risken för överströmning till renluftssidan. Rotorn har begränsad livslängd Täta spjäll och korta anslutningskanaler erfordras för att överströmningen skall bli så liten som möjligt. Värmeväxlarytorna är oömma.

Kammarvärmeväxlare Verkningsgrad ca 90 %

Värmeväxlare med två fasta växlarytor, som omväxlande geomspolas av värmande och värmt medium

B. Statisk värmeväxlare

Värmande och värmt medium hålls åtskilda av en mellanvägg genom vilken värme överförs

Ingen överströmning sker mellan värmande och värmt medium om konstruktionen är tät

Plattvärmeväxlare

Skiljeväggar av plant material, stål, aluminium, plast, papper

Används som regel där tryckdifferensen mellan medierna är liten

Skiljeväggar i rörform, med eller utan ytförstorande element i form av flänsar eller piggar

Kan utformas för stor tryckdifferens mellan medierna, t ex för värmning av luft med hetvatten

Verkningsgrad: 1 steg ca 50% 2 steg ca 75 % Rörvärmeväxlare

En speciell form är värmerörsvärmeväxlaren Indirekt värmeväxlare

Värmeväxlare där överföring mellan växlardelarna sker med ett rörsystem i vilket en värmebärare cirkuleras

Lämplig form om brandavskilda till- och frånluftssystem är ett krav

Värmerörsvärmeväxlare

Indirekt värmeväxlare i vilken värmetransport sker genom förångning av värmebärare vid värmeupptagning och kondensation vid värmeavgivning

Lämplig form om gastät åtskillnad mellan medierna skall åstadkommas

Sida 6 av 9

Sven A. Svennberg

2006

Tabell 2. Värmeåtervinningssystem, livstidskostnadsjämförelse Luftflöde m3/s 3

Storhet

Brukstid år Realränta % 50% flöde under 20 4 icke arbetstid Invest FTX-faktor fjärrvärme K=100*q eta<60% eta>70% 300 0,5 0,3

Ortsvärmningsbehov Kwh/år 123000 Anslutningsavgift fjärrvärme kkr/kW 0,6 Byte av rotor (15 år) 20

Ventilationssystem, utformning och typ av värmeåtervinnare F-system FT-system FTX-system FTX-system FTX-system Korsström Vätskekoppl Roterande

Utetemp C -15 Tilluftstemp C 18

FTX-system Kammar-VVX

Temp.verkningsgrad % Maximalt effektbehov kW

0 119

56 52

60 48

76 29

90 12

Aggegat kkr Styrsystem kkr Fjärrvärmecentral kkr Centralinstall. kkr Byte efter 15 år nuv. kkr Anslutn.avgift, kkr Total investering, kkr

30 20 300 5 0 71 426

60 29 300 8 0 71 468

125 29 150 10 0 31 345

125 40 150 10 0 29 353

120 29 90 10 11 17 277

180 20 0 10 0 7 217

Rel. Energibehov, Erel Energioms.dag, kWh/år Energioms.natt, kWh/år Energikostnad, kkr/år

1,00 179866 54001 152

0,44 79141 23760 67

0,40 71947 21600 61

0,24 43168 12960 36

0,10 17987 5400 15

Tryckfall,aggregat, Pa Övrigt tryckbehov, Pa Fläktdrift dag, kWh/år Fläktdrift natt, kWh/år

40 200 4200 789

200 400 10500 1973

540 400 16450 3090

430 400 14525 2729

300 400 12250 2301

Energikostnad, kkr/år Effektavgift, kkr/år Drift & UH 3%, kkr/år Summa kkr/år

5 18 12,8 188

12 18 14,0 196

20 8 10,3 105

20 7 10,6 98

17 4 8,3 66

15 2 6,5 38

Specifik kostn kkr/(m3/s*år) Spec.kostn kr/(m2*år) Nusumma, kkr Invest+Nusumma, kkr Diff Altern-Kamm, kkr

63 52 3068 3494 2655

65 55 3211 3679 2840

35 29 1711 2055 1216

33 27 1603 1957 1117

22 18 1084 1361 522

13 11 622 839 0

Marknadsränta % Inflation %/år Realränta % Nusummefaktor Prisfaktor 20 år Prisutveckling inkl inflation Energi %/år Realränta % Nusummefaktor Prisfaktor 20 år

6 2 4 13,59 2,19 4 2 16,35 1,49

Eta-fläkt 0,6 Luftdensitet kg/m3 vid 15 grad C Effektavgift 150 Värmepris 0,65 Elpris 1,0 Försörjd area 3600 Drifttid Td h/år 3500 Basvent Tb h/år 5260 Summa h/år 8760 Luftväxlingstal h^-1 1,0

Energiomsättning för värmning av luft= q*ro*cp*G*Erel kWh/år Energiomsättning för transport av luft= q*dp/eta*T/1000 kWh/år Spcifikt energibehov för systemdrift kJ/m3 eller kW/(m3/s) Effektbehov för värmning av tilluft= q*ro*cp*dT *(1-etavvx) kW

1,22 kr/(kW*år) kr/kWh inkl mvs kr/kWh inkl mvs m2 40% Arbetstid 60% 50% av dagflöde 100% Rumshöjd m 3,0

Erel=1-eta vvx 1,2

Vid dagdrift med kammarVVX

Sida 7 av 9

Sven A. Svennberg

2006

Tabell 3. Nusummefaktor för årligen återkommande driftbelopp N= (1-(1+r/100)^-n)/(r/100)

r =realränta, ca Rm –i %

n = brukstid, år

Rm= marknadsränta,

i = årlig inflation, %

År X 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 75 100

Realränta % 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 75 100

1 4,9 9,5 13,9 18,0 22,0 25,8 29,4 32,8 36,1 39,2 52,6 63,0

2 4,7 9,0 12,8 16,4 19,5 22,4 25,0 27,4 29,5 31,4 38,7 43,1

3 4,6 8,5 11,9 14,9 17,4 19,6 21,5 23,1 24,5 25,7 29,7 31,6

4 4,5 8,1 11,1 13,6 15,6 17,3 18,7 19,8 20,7 21,5 23,7 24,5

5 4,3 7,7 10,4 12,5 14,1 15,4 16,4 17,2 17,8 18,3 19,5 19,8

6 4,2 7,4 9,7 11,5 12,8 13,8 14,5 15,0 15,5 15,8 16,5 16,6

7 4,1 7,0 9,1 10,6 11,7 12,4 12,9 13,3 13,6 13,8 14,2 14,3

8 4,0 6,7 8,6 9,8 10,7 11,3 11,7 11,9 12,1 12,2 12,5 12,5

9 3,9 6,4 8,1 9,1 9,8 10,3 10,6 10,8 10,9 11,0 11,1 11,1

10 3,8 6,1 7,6 8,5 9,1 9,4 9,6 9,8 9,9 9,9 10,0 10,0

Anm.:Man ser att en låg realränta ger högre nusummefaktor, dvs högre vinst för en viss årlig

Diagram 1. Livstidskostnad, jämförelse i tusental kronor för olika typer av ventilationssystem under en 20-årsperiod. Luftflöde 3 m3/s

Summa investering plus drift och underhåll, kkr

Merkostnad utöver den för FTX med kammarvärmeväxlare

Total livstidskostnad för system

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 F-system

FT-system

Korsström

Vätskekoppl

Roterande

Kammar-VVX

FTX-system

Sida 8 av 9

Sven A. Svennberg

2006

Diagram 2. Behov av eftervärmning som funktion av utetemperatur och återvinningsgrad vid frånluftstemperaturen 22 C

Diagram 3. Nusumma av driftkostnad jämförd med investeringsutgift som funktion av värmeväxlartyp och luftflöde m3/s. Tendens redovisas med potenskurva. Nusumma av driftkostnad jämförd med investeringsutgift som funktion av värmeväxlartyp och luftflöde m3/s

1,5

3,0

6,0

Potens (6,0)

Kvot Nusumma av drift/investeringsutgift

10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 F-system

FT-system

Korsström

Vätskekoppl

Roterande

Kammar-VVX

FTX-system

Sida 9 av 9