Poistoilman lämmön talteenotto : kannattavuus ja käyttömahdollisuudet kaukolämpökerrostaloissa

Abstract

Tässä insinöörityössä tutkitaan onko lämmön talteenoton asentaminen kaukolämpökerrostaloon kannattavaa. Työ on rajattu saneerauskohteisiin, jossa on poistoilmanvaihto. Aiheeseen on tutustuttu kirjallisuuden kautta. Koska Suomessa ei ole pitkää kokemusta poistoilman lämmön talteenotosta suurissa kiinteistöissä, on aihetta lähestytty ruotsalaisen kirjallisuuden kautta. Ruotsissa kokemusta on vastaavanlaisista järjestelmistä jo yli vuosikymmenen verran. Suomen K1, joka sisältää ohjeita ja määräyksiä kaukolämpöön liittyen, on myös tutustuttu. Kulutustietoja on kerätty viidestä referenssikohteesta, jossa on ollut poistoilmalämpöpumppu vähintään vuoden. Kulutustietoja ennen ja jälkeen saneerauksen on verrattu.

Poistoilmalämpöpumpulla talteen otettua lämpöä voidaan käyttää kiinteistön tai käyttöveden lämmittämisen tai molempiin. Lämmön voi myös käyttää tuloilman lämmittämiseen. Tätä aihetta ei tässä insinöörityössä ole erikseen käsitelty.

Saneerauksien tuloksena on alentunut kaukolämmönkulutus ja kasvanut sähkönkulutus. Täten takaisinmaksuaika ja sen myötä kannattavuus, riippuu paljon energian hinnasta. Erityisesti kaukolämmön ja sähkön keskinäinen hintaero on ratkaiseva. Kaikkien referenssikohteiden takaisinmaksuaika on laskelmien mukaan alle yhdeksän vuotta. Keski-määräinen energiansäästö on ollut 36 %. Kun saneerausta suunnitellaan, on taloudellisesti järkevää, ottaa huomioon lähitulevaisuudessa vastaan tulevat muut saneeraukset.

Lämpöpumpusta saadaan paras hyöty kun lämpötilaerot ovat pienet. Kun poistoilmasta talteen otettu lämpö käytetään kiinteistön lämmittämiseen, saadaan paras hyöty syksyllä ja keväällä, kun on leutoa. Silloin patteriverkoston lämpötila on matalampi kuin kovilla pakkasilla.

Som följd av att bestämmelserna blir striktare, är värmeåtervinnig ur frånluften är ett allt mer aktuellt ämne. Byggbestämmelserna som trädde i kraft 2013, kräver att man även i saneringsobjekt installerar värmeåtervinning, då man sanerar fastighetens tekniska system. Därför är det meningsfullt att undersöka om det är ekonomiskt lönsamt och hur saneringen borde genomföras så att man får största möjliga nytta av den. I dagens läge går den varma frånluften till spillo i många fastigheter.

I detta examensarbete behandlas värmeåtervinning ur frånluften. Arbetet är begränsat till saneringsobjekt. Fastigheterna bör ha maskinell frånluft och vara kopplade till fjärrvärmenätet. Som metoder för granskning har en litteraturstudie utförts. Det finns inte mycket erfarenheter om värmeåtervinning ur frånluften i flervåningshus i Finland. Men i Sverige har man redan under en längre tid haft fungerande system. Den erfarenheten har studerats. Speciellt kopplingarna som kombinerar värmepump och fjärrvärme har varit av intresse. I Finland har vi K1, den innehåller anvisningar och bestämmelser som berör fjärrvärme. Data har samlats från fem referensprojekt, var man installerat värmeåtervinnig. Energiförbrukning före och efter saneringen, har jämförts.

Behovet av byggtillstånd i samband med installation av frånluftsvärmepumpssystem, beror på ort. I de största städerna behöver man ofta tillstånd, men i sista hand är den lokala byggnadstillsynsnämnden som bestämmer.

En stor investering, som installering av ett värmeåtervinningssystem, kan behöva energistöd för att vara lönsamt. Förr har staten beviljat stöd via ARA, finansierings- och utvecklingscentralen för boende. I år beviljade de inte några stöd, men man kunde ansöka om energistöd av Närings-, trafik- och miljöcentralen. Man kan få stöd upp till 15 % av den totala investeringen.

Enligt Statistikcentralen finns det över 44 500 flervåningshus som använder huvudsakligen fjärrvärme till uppvärmning. Och endast i huvudstadsregionen finns det 10 700 flervånings bostadshus som är byggda före 1990. Det finns en stor potentiell marknad för frånluftsvärmepumpar. Man började installera maskinell frånluft i flervåningshus redan på 1950-talet. Oftast har man skött frånluftsventilationen med samlade kanaler, vilket är bra från värmeåtervinningens vinkel. Tilluften kom ofta genom springor vid fönstren och trappuppgångar. Först i slutet av 1980-började man installera friskluftsintag. I ett typiskt hus från 1960-1980-talet tappar man ungefär 35 % av spillovärmen genom ventilationen. Med ett värmeåtervinningssystem kan man täcka 30-50 % av fastighetens hela uppvärmningsbehov.

Frånluften har ungefär samma temperatur året om. Dess värme-effekt är inte beroende av uteluftens temperatur. Man kan använda värmen till uppvärmning av fastigheten, bruksvattnet eller båda. Fastighetens uppvärmningsbehov är från hösten till våren, medan behovet av bruksvatten är ungefär lika året om. Bruksvattenkonsumtionen är inte jämn utan den kommer i pikar. Detta leder till ett behov av någon slags beredare om man vill använda den tillvara tagna värmen till uppvärmning av bruksvattnet.

Vid uppvärmning av fastigheten, får man bäst verkningsgrad på hösten och våren, då det är milt väder. Framledningstemperaturen i radiatornätet är lägre, temperaturskillnaderna värmepumpen jobbar med är inte så stora och man får en större effekt ur den. För att få bästa möjliga temperaturer bör man injustera och balansera radiatornätet. Bruksvattnet måste konstant värmas till samma temperatur. Ofta använder man värmepumpen till förvärmning av vattnet, även om man i dagens läge kan få upp till 70 °C vatten. Men verkningsgraden lider av detta.

Önskvärt vore att man kunde använda den tillvaratagna värmen till vattenburen golvvärme, där temperaturerna ligger på 30-35 °C. Men sådana finns just inte i gamla höghus. Om man gör en sanering av badrum samtidigt, kan man överväga installation av golvvärme. Eftersom gamla hus ofta har en egen stigare för badrumslinjen, kunde en annan möjlighet vara att göra en skild koppling för den. Framledningstemperaturen skulle inte behöva vara lika hög som i resten av radiatornätet och man kunde köra kretsen året runt för att få fukten ur badrummen.

Man bör observera att en värmepumps värmefaktor (COP), inte är samma som hela systemets vekningsgrad, där man beaktar all apparatur som förbrukar el. Årsverkningsgraden (SCOP) är viktigare än den temporära verkningsgraden. En årsverkningsgrad på fyra är bra, om den är mindre lider lönsamheten. Den bästa värmefaktorn får man då temperaturskillnaderna är små. I ett radiatornät är temperaturerna relativt höga och värmepumpen måste jobba hårt för att höja temperaturen.

För att kunna ta till vara värme ur frånluften, bör det finnas maskinell frånluft och gärna samlade kanaler. Det är annars inte lönsamt. Mängden värme man kan ta till vara ur frånluften är alltid lika. Temperaturen på frånluften är ungefär 22 °C. På vintern kan temperaturen vara lite lägre och på sommaren högre. Frånluften sugs ut ur lägenheterna till takfläkten, via kanaler, genom ventiler som finns i köket, badrum och klädrum. Aggregatet kan vara placerat på taket eller på vinden. Tilluften kommer via ventiler och genom byggnadsdelarna. Värmeväxlaren tar till vara värmen som transporteras till värmefördelningsrummet. Därefter används den till uppvärmning av fastigheten eller bruksvattnet.

Värmepumpen utnyttjar vätskans fasförändring. Fånluftsvärmepumpen består av en värmeväxlare, kompressor, rör och injusteringapparatur. Det används främst tre olika slags värmeväxlare i värmeåtervinning ur frånluften, den traditionella lamellvärmeväxlaren, borstvärmeväxlaren och nålvärmeväxlaren som utvecklats speciellt för detta användningsområde. Oftast används en EC-fläkt. Den är ungefär 30 % effektivare än fläktar som använder växelström. Scroll-kompressorer används för att de är enkla och robusta. Värmeberedare används för att optimera kompressorns arbete. Man vill att den skall gå så länge som möjligt, gentemot att den startar, stannar och startar upp igen. Genom att låta kompressorn gå längre förlänger man dess livslängd.

För att det skall vara lönsamt att installera värmeåtervinning ur frånluften i ett fjärrvärmehöghus, måste frånluftsmängden vara tillräckligt stor. I branschen ses 500 l/s som ett minimivärde för frånluften. Gärna får frånluftsmängden vara 1 000 l/s. Ju större luftmängder det handlar om, desto större är de potentiella inbesparningarna. Man bör också beakta, att systemet kräver mer, i form av injustering och underhåll, än ett uppvärmningssystem som består av endast fjärrvärme.

Investeringen av ett återvinningssystem ligger kring 50 000-150 000 €, beroende på fastighetens behov och storlek. Före man gör några beslut, skall man utreda utgångspunkten och behovet. Det lönar sig att anställa en expert för detta. Med den återvunna värmen kan man täcka 30-50 % av flervåningsbostadshusets värmebehov.

Både fjärrvärme och värmepumpens verkningsgrad är som bäst då temperaturskillnaderna är låga. Detta leder till att deras sammankoppling inte alltid är så lätt. För fjärrvärmen är det viktigt med en hög avkylning, medan värmepumpen är känslig för förändringar i framledningstemperaturen och lider om temperaturskillnaden mellan framlednings- och returtemperaturen växer. Man använder ofta fjärrvärme som spetsning i system som kombinerar frånluftsvärmepump och fjärrvärme. Detta kan upplevas som problematiskt ur fjärrvärmeleverantörens synpunkt. Man använder mest fjärrvärme då behovet annars också är som störst. Ibland kan detta också leda till att fjärrvärmen inte kyls ner tillräckligt.

Referensprojekten som studerats i detta examensarbete är byggda mellan 1968 och 1981. Frånluftsvärmepumparna har installerat i tre av fem fall år 2012. De övriga är installerade 2010, respektive 2011. Data på fastighetens energiförbrukning finns alltså tillgängligt för minst ett år.

I den största av fastigheterna, med frånluftsflödet 3 500 l/s, finns 84 lägenheter. Man installerade frånluftsvärmepumpen i slutet av 2012. Energiförbrukningen har som följd av saneringen sjunkit med 47 %. Av referensobjekten har man fått den största förändringen här. Inbesparningen på energikostnaderna har varit över 25 000 € i året. Som följd av saneringen sjönk anlsutningseffekten. Investeringen kostade 179 000 €. Husbolaget fick 15 % energistöd till investeringen. Om man beaktar stödet, får man en återbetalningstid på sex år. Utan att beakta den blir återbetalningstiden lite över sju år. Anslutningseffektens sänkning är inte beaktad.

Alla referensobjekt behandlas i arbetet skilt för sig. I medeltal sjönk referensobjektens förbrukning av köpt energi 36 %. Fjärrvärmeförbrukningen minskade med ungefär hälften, samtidigt som elförbrukningen steg avsevärt. Energiförbrukningen minskade i alla fallen och medianen för inbesparningarna per år rör sig omkring 9 400 €. Beräknade återbetalningstider för referensobjekten är genomsnitt sju år. Energins prisförändringar har inte beaktats eftersom det är svårt att förutspå hur elens och fjärrvärmens priser kommer att förhålla sig till varandra. Underhållskostnaderna för ett värmeåtervinningssystem består av utbyte av filter eller tvättning av värmeväxlaren. Utgiften för detta är ungefär 200-500 €.

Då man planerar en installation av ett frånluftsåtervinningssystem är det bra att fundera på byggnadens övriga saneringsbehov inom den närmaste framtiden. Samtidigt som man gör hål för kylmedlets rör lönar det sig att med det samma göra flera. Det kan t.ex. handla om att förnya antenn-nätet i byggnaden eller en rörsanergin. Om det inte ännu är aktuellt med värmeåtervinnig, men man håller på att genomföra en linjesanering, kan reservera rör för värmeåtervinningen och genomföra saneringen i ett senare skede.

Troligen kommer det att bli allt längre perioder av milt väder i framtiden. Detta gynnar frånluftsvärmepumpen, då den används till uppvärmning av fastigheten, eftersom den då kan jobba med lägre temperaturer.

The National Building Code of Finland requires that heat recovery is installed when updating the technical system of a building. It is of interest to find out when it is cost-effective and how the renovation should be carried out. Many buildings spew out warm air, from where heat could be recovered. This thesis considers heat recovery from exhaust air. It is limited to renovation objects, apartment buildings that have forced exhaust ventilation and uses district heating as their primary heating source.

The examination has been carried out by literature study. The experience of heat recovery from exhaust air, in apartment buildings, in Finland is limited. Only in the last years, the market has started to grow. This kind of renovations has been done in Sweden for over a decade. Therefore most of the literature that has been studied comes from there, especially the coupling related.

Data has been collected from five reference objects, where heat recovery has been in use for at least one year. The buildings’ energy consumption, before and after the renovation, have been compared. The aim of the study was to find out when the renovation is economical. The result of the renovation is a reduced consumption of district heating and an increased use of electricity. Thus, the payback time depends greatly on the relation between the price of district heating and electricity. All the studied objects have a payback time under nine years. Their average savings in energy was 36 %. There are several of matters that the cost-effectiveness depends on.

It is sensible to incorporate the installation of heat recovery to other renovations. E.g. if there is prospect of a pipe renovation in the near future, incorporating them is advisable. The heat-pump is most effective when the temperature differences are small. If the recovered heat is used for heating the building, the most benefit can be obtained in the autumn and spring, when the weather is mild. The future will probably bring longer periods of mild weather, thus making the system even more profitable.