Heating systems in residential buildings: combine district heating with exhaust air heat pumps : For economical and sustainable development

Den nuvarande EU-strategin för hållbar utveckling har som övergripande syfte att fastställa och utveckla åtgärder så att livskvaliteten ständigt kan förbättras, både för nuvarande och kommande generationer. En del i strategin är klimatmål som i första skedet sträcker sig till år 2020, dess medlemsstater ska då bland annat ha reducerat både sin energianvändning och sina utsläpp av växthusgaser med 20 %. I Sverige står bostad- och servicesektorn för 40 % av landets energianvändning, de har själva satt målet till 25 % besparing. Nya strategier och höjd energieffektivitet ska leda till att målet nås. Ett viktigt utvecklingsområde är uppvärmning av byggnader som står för 60 % av sektorns energianvändning. En stor del av bostadsbeståndet anses ha en energisparpotential på 20-50 %. Vid sidan av förbättringsåtgärder på bostäders klimatskal är val av värmesystem av stor vikt. Bland flerbostadshus står fjärrvärme för över 90 % av levererad värmeenergi. Genom att komplettera fjärrvärme med frånluftsvärmepump kan byggnadens energieffektivitet höjas och fastighetsägare kan göra en ekonomisk vinst i minskad mängd köpt energi. Fjärrvärmeleverantörer har svarat mot denna utveckling genom att förändra sina abonnemang så att värmesystemet blir överdimensionerat en stor del av året, därigenom blir värmepumpen överflödig. I denna fallstudie undersöks ett flerbostadshus i orten Grums, där frånluftsvärmepump redan installerats innan fjärrvärmeabonnemanget förändrades. Det nya abonnemanget innebär att fastighetsägare måste välja vilken maximal baseffekt de kan få levererad under året. En utredning är nödvändig för att säkerställa vilket val som ger en stabil och låg kostnad vid olika temperaturvariationer. Ur fastighetsägares perspektiv är problemet av ekonomisk karaktär, men denna studie undersöker även kombinationen fjärrvärme med värmepump med hänsyn till energianvändning och hållbarhetsmässig aspekt. Drivs värmesystemet på bästa sätt idag eller går det att hitta alternativa driftsätt som fungerar bättre? Målsättningen är primärt att reducera bränsleanvändning med 25 %, sekundärt minska koldioxidalstring och samtidigt sänka livscykelkostnaden för värmepumpen samt att i tredje hand reducera mängd köpt energi. Målen ska nås vid årsmedeltemperatur 5-7 ºC. För närvarande används frånluftsvärmepump som basvärme till radiatorkrets och varmvatten medan fjärrvärme täcker underskott av husets värmebehov. Nuvarande driftsätt jämförs med två alternativ. Alternativ 1 innebär byte till värmepump med mer effekt samt att fjärrvärme värmer tappvarmvatten, i övrigt körs värmesystem på samma sätt som förut. I Alternativ 2 ändras driftsätt så att fjärrvärmes baseffekt utnyttjas maximalt och värmepump körs då vald baseffekt inte täcker värmebehov. Frånsett att värmepump byts i ena fallet är inga ominstallationer nödvändiga. I studien används Microsoft Excel och varaktighetsdiagram för att utföra beräkningar. Resultaten visar att ingen av alternativen når fullständig måluppfyllelse, dock når alternativ 1 högre måluppfyllelse i och med att det primära målet (resursbesparing) i vart fall nås delvis. Studien visar att flerbostadshus, liknande referensobjektet, kan anpassa både drift av befintligt värmesystem och val av baseffekt (fjärrvärme) för att nå ekonomisk vinst. Ökad användning av fjärrvärme minskar indirekt koldioxidalstring men ökar resursanvändning. Byte av frånluftsvärmepump reducerar köpt energi vilket leder till minskad resursanvändning och bättre ekonomi, dock ökar elanvändning vilket ger marginellt tillskott av koldioxidalstring.The overall aim of the current EU strategy Sustainable Development is to identify and develop measures to ensure that quality of life can be constantly improved, both for present and future generations. A part of the strategy is the climate targets which in the first phase extend to 2020. Its Member States shall then have reduced both their energy use and greenhouse gas emissions by 20 %. In Sweden the residential and service sector stands for 40 % of the country's energy use, they have themselves set the target to 25 % savings. New policies and improved energy efficiency will lead to completion. An important area of development is the heating of buildings, which accounts for 60 % of the sector's energy use. A large part of the housing stock is considered to have an energy savings potential of 20-50 %. Next to the improvement of the building envelope, the selection of heating system is of great importance. More than 90 % of delivered heat energy to the apartment blocks in Sweden comes from district heating. By supplementing district heating with exhaust air heat pumps, the building's energy efficiency can be increased and building owners can make a financial gain in the reduced amount of purchased energy. District heating distributers have responded to this development by changing their subscriptions, making the heating system oversized much of the year, thereby the heat pump becomes more or less redundant. In this case study, the heating system of an apartment building in the town of Grums (Sweden) is of interest. The exhaust air heat pump was already installed before the district heating subscription was changed. The new district heating subscription implicates that property owners have to choose which maximum base effect they can get delivered all year round. An investigation is necessary to ensure that the selected option provides a stable and low cost at different temperature. From the property owner's perspective, the problem is of economic nature. This study however, concentrates on the combination of district heating with heat pumps seen from the energy use and sustainability aspect. Is the heating system working in the best way today, or it is possible to find alternative modes that work better? The target with this study is to find an operational mode that primarily will reduce fuel use by 25%, secondary will lower carbon dioxide generation and cut life-cycle cost of the heat pump and thirdly will reduce the amount of purchased energy. These targets must be achieved within the annual outside temperature of 5-7 ºC. Currently the exhaust air heat pump is used as basic heat, warming up radiators and domestic hot water while district heating covers the deficit of the house's heating demand. Current operating mode is compared with two alternatives. Option 1 involves a change of the heat pump, to one with more power, district heating will heat the domestic hot water and will continuously work as a backup for the heat pump. In Option 2, the operation mode is altered to optimize use of the district heating base effect, the heat pump runs only when the selected base effect does not cover the heating demand. Apart from that the heat pump is replaced in the first case, no reinstallation is required for these options. Study calculations are made by using Microsoft Excel and duration diagrams. The results shows that none of the options reach the targets completely, however, Option 1 is closer considering that the primary goal (saving resources) is reached in part. The study shows that heating systems in apartment buildings, similar to the reference object, can be adjusted as well as the choice of base effect (district heating) in order to successfully reduce environmental effects and/or achieve financial gain. Increased use of district heating indirectly reduces carbon dioxide generation but increases resource use. Replacement of exhaust air heat pump reduces purchased energy which leads to reduced use of resources and better economy, however, will increase electricity consumption, which gives a marginal addition contribution of carbon dioxide generation