Energiberäkningar, roulette eller vetenskap? Del 1

För att klara de nya kraven i BBR krävs energibalansberäkningar, och för att klara av att utföra en bra energibalansberäkning krävs erfarenhet. Bengt Bergsten, CIT Energy Management, delar i en serie om tre artiklar med sig av sina kunskaper om bland annat osäkerheter och metodik.

Nya byggnormer (BBR), och i viss mån även energideklarationssystemet, har givit beställare och konsulter nya spännande utmaningar. Nu ska byggnaden inte bara klara de gamla vanliga kraven, den ska vara energieffektiv också! För att klara de nya kraven i BBR behöver man beräkna en energibalans för byggnaden. Den utmaningen har säkert givit en och annan konsult och beställare nya veck i pannan och kanske till och med några gråa hår.   

Energibalans
Vid en beräkning av en byggnads energianvändning, oavsett om det är energi till endast uppvärmning, energianvändning enligt BBR eller totala energianvändningen man vill veta, måste ett beräkningsprogram kunna hantera den totala energibalansen för en byggnad. Ordet energibalans antyder att energiflöden till respektive från byggnaden ska vara i balans. I en uppvärmd byggnad balanseras den energi som transporteras bort från byggnaden med energi som tillförs sett på längre sikt, till exempel ett år.

För att ha koll på vilka energiflöden som ska vara med i balansen och hur stora dessa flöden är måste man sätta upp en gräns. Gränsen kallas vanligen systemgräns och den placeras ofta precis utanför byggnadens klimatskal. Det är bara de energiflöden som passerar systemgränsen som ska tas med i energibalansen. Ändras systemgränsen så ändras också energibalansen till både storlek och innehåll. 

I figur 1 redovisas energibalansen för en exempelbyggnad (kontor) som två staplar. Den vänstra anger tillförd energi och den högra bortförd energi. Systemgränsen är vald precis utanför byggnadens klimatskal.

Figur 1 Exempel på en energibalans för en byggnad. Exemplet utgår från en byggnad med både värme- och kylbehov. Illustration: Claes-Göran Andersson

Tillförd energi är naturligtvis värme (alternativt bränsle) till värmesystemet, varmvatten och värmebatteriet i ventilationsaggregatet, men också all el till byggnaden, instrålad solenergi och värme från personer i byggnaden. I stapeln för bortförd energi finns posterna värmetransmission uppdelad på de olika delarna i klimatskalet, luftläckage genom klimatskalet, ventilationsluft som lämnar byggnaden, avloppsvatten och slutligen kylsystem. Den sista posten utgörs antingen av värmeenergin som lämnar byggnaden via en kylmedelskylare eller via ett fjärrkylsystem. Har byggnaden någon form av förbränning inom systemgränsen ska också förluster i rökgaser finnas med.
Både den som gör en beräkning och den som tar emot resultatet av beräkningen måste ha åtminstone en grundläggande förståelse vad en energibalans är och vad den består av.
BBR i energibalansen
Boverkets byggregler, BBR, föreskriver att en ny byggnad skall ha energianvändning som underskrider en viss gräns. Detta gränsvärde uttrycks som ett värde men består av summan av ett antal delposter. Dessa är tillförd (köpt) energi för:

• uppvärmning
• tappvarmvatten
• komfortkylning (denna del multipliceras med 3 om det gäller elenergi)
• fastighetsdrift.

I figur 1 syns den del av energibalansen som omfattas av Boverkets definition av en byggnads energiprestanda i BBR. I stapeln för tillförd energi utgör energiprestanda enligt BBR endast en viss del. I de äldre versionerna av byggregler/byggnorm omfattade kraven flera av posterna i den högra stapeln, bortförd energi, i form av krav på isolering, täthet och återvinning.
En relativt stor del av den tillförda energi som är mätbar, omfattas alltså inte av BBR-kraven. Det är energi som används genom den verksamhet som bedrivs i byggnaden, till exempel belysning, datorer och köksutrustning.
Om uppgiften är att beräkna en byggnads energiprestanda enligt BBR så kan det inte göras på annat sätt än att byggnadens hela energibalans beräknas. Alla delar i balansen påverkar varandra i större eller mindre grad, till exempel går det inte att beräkna enbart uppvärmningsbehovet utan att känna till storleken på bland annat solinstrålning och el till verksamheten.  Ur den totala energibalansen plockas sedan de värden som efterfrågas av BBR ut.
Beräkning av en byggnads energibalans
En byggnads energibalans kan inte beräknas exakt. Det beror främst på tre orsaker:

• Det är omöjligt att exakt veta alla förutsättningar och exakta indata. Detta behandlas i en kommande artikel
• Det är praktiskt omöjligt att exakt beräkna alla de olika energiflöden som sker i byggnaden. För att ett energiberäkningsprogram ska gå att hantera måste alla delflöden av energi utgöras av mer eller mindre förenklade modeller av de verkliga energiflödena
• I nästan varje byggnad måste verkliga förhållanden vad gäller byggnadens geometrier och konstruktion, utformning, styrning och reglering, komplexitet av installationer samt verksamheten i byggnaden anpassas till en indata- och programstruktur som i viss utsträckning är generell men aldrig helt generell. Den anpassningen görs alltid av användaren och medför att beräkningsresultatet avviker från verkligheten.

Figur 2 Principiell illustration av hur ett beräkningsprograms komplexitet påverkar mängden indata och programmets noggrannhet i resultat. Större modellkomplexitet ger en accelererande mängd indata men noggrannheten i resultat planar ut.

En programleverantör må bedyra att dess energiberäkningsprogram beräknar energibalansen exakt, men faktum är att alla energiberäkningsprogram innehåller förenklade modeller av verkligheten. Det som skiljer olika beräkningsprogram åt är att dess beräkningsmodeller innehåller olika grader av förenklingar.
Det är lätt att tro att ju mer komplexa och noggranna modellerna är, desto exaktare resultat. Riktigt så enkelt är det inte. Ju mer komplicerade modellerna är desto mer indata brukar erfordras och en högre grad av komplexitet ger inte linjärt en bättre noggrannhet. Detta är viktigt att fundera över, speciellt om man har inställningen att ”endast det bästa är gott nog”.  Figur 2 försöker illustrera detta förhållande principiellt.

Att beräkningsförutsättningar och indata är osäkra, att beräkningsprogram är förenklade modeller av en komplicerad verklighet och att användaren måste ”passa in” verkligheten i en given programstruktur är det centrala budskapet i denna artikel. Dessa tre faktorer medför att de resultat vi får från energiberäkningar måste betraktas som mer eller mindre osäkra och kan variera inom ett stort intervall. Efter en första beräkning kan skillnaden mellan beräknat och uppmätt värde (när sådant finns) vara så stor som flera tiotals procent. Tyvärr är det allt för vanligt att det bara görs en enda beräkning och resultatet redovisas ibland med flera decimaler.

Av Bengt Bergsten, tekn.dr
CIT Energy Management
Energi & Miljö nr 5/2010 sid 38-39.

• Artikelserie om energiberäkning
  I tre artiklar ska några aspekter av energiberäkningar och energiberäkningsprogram behandlas. Rubriken spetsar till frågeställningen, då det enligt författarens erfarenhet ofta förekommer tvärsäkra uttalanden i branschen om att energiberäkningar antingen är som att kasta pil med ögonbindel eller att det är resultat av en komplex brygd av exakta ekvationer och noga utformade algoritmer. Alla frågeställningar går inte att ta upp då energiberäkning är näst intill en hel vetenskap i sig. Den här artikeln belyser några viktiga frågeställningar kring energiberäkning av en byggnad. Artikel två handlar om osäkerheter vid energiberäkning, och den tredje artikeln behandlar metodik och hantering av osäkerheter vid energiberäkning.

• Om författaren:
  Bengt Bergsten, teknologie doktor, har arbetat med installationsteknik, energieffektivisering i byggnader och inomhusklimat sedan 1983. Mestadels som konsult (projektering, beräkning och utredning) men har också för Teknoterm (numera Lindab Climate) under 90-talet med utveckling och försäljning. Arbetar sedan 1998 för CIT Energy Management med frågor som främst rör energieffektivisering i byggnader. Är också ansvarig för utveckling av energiberäkningsprogrammet BV2.