Teknik och forskning | 2 maj

Investeringsanalys av GeoFTX-system

Att förvärma ventilationsluften med ett GeoFTX-system är ett sätt att undvika frostbildning i värmeväxlare. Tidigare undersökningar har visat att lösningen gör det möjligt att spara både energi, effekt och pengar. Filip Johansson undersökte i sitt examensarbete från Kungliga tekniska högskolan (KTH) om det var ekonomiskt hållbart att förvärma ventilationsluften så pass mycket att effektbehovet för eftervärme helt eliminerades.

Vid till- och frånluftsventilation med värmeåtervinning, FTX, används frånluften till att värma den kalla inkommande uteluften. Det sker med hjälp av en värmeväxlare. Plattvärmeväxlare är vanliga i flerbostadshus. De har fördelen att de kan byggas täta och hindrar på så sätt att luftföroreningar och lukter överförs från frånluften till tilluften.

På vintern kan det dock uppstå driftproblem då frånluften i bostadshus har ett relativt högt fukt­innehåll. Vid tillräckligt låg utetemperatur finns det risk för frostbildning, när den kalla inkommande uteluften kyler ned den fuktiga utgående frånluften under dess daggpunkt. När detta sker måste värmeväxlaren avfrostas, vilket sker genom att delar av uteluften leds förbi värmeväxlaren, direkt till eftervärmningsbatteriet. Det leder till sänkt värmeåtervinningsgrad. Ventilationsluften måste då istället eftervärmas för att nå rätt temperatur, vilket leder till att värmeeffektbehovet ökar.

Denna ökning sker främst under köldtoppar, när fjärrvärmenätet redan är som mest belastat och efterfrågan på värme­effekt redan är som störst. För stor efterfrågan på värmeeffekt leder till problem, bland annat för att fjärrvärmebolagen använder fossila bränslen för att täcka behovet. Med växande städer, och fler fas­tigheter som ansluter till fjärrvärmenätet är det troligt att problemet växer i framtiden.

Genom att förvärma uteluften går det att undvika frostbildning i värmeväxlaren. I ett GeoFTX-system cirkuleras en vätska, köldbärare, från ett borrhål till ett förvärmningsbatteri som installerats före ventilationsvärmeväxlaren (se figur 1). Temperaturen i borrhålet är, under vintern, högre än uteluftstemperaturen och kan därför utnyttjas för förvärmning av den inkommande ventilationsluften. Tekniken är effektiv för att motverka frostbildning och det går att spara både värmeenergi och värmeeffekt. Kempe och Jonsson kunde till exempel, i en undersökning från 2015, visa på en besparing på 4,5–5,6 W/kvm och
5–8 kWh/kvm och år [1].

Ett GeoFTX-system som förvärmer så mycket att ventilationsluften skulle uppnå acceptabel termisk komfort efter värmeåtervinning, även under årets kallaste dagar, skulle helt eliminera effektbehovet för eftervärme. Det skulle leda till den största minskningen i effektuttag från fjärrvärmenätet. En förändring i prissättning från fjärrvärmebolagen, där effekt har blivit en större del av den totala kostnaden, har lett till att de ekonomiska förutsättningarna för en sådan investering också har förändrats. Ett GeoFTX-system som är dimensionerat för att helt eliminera effektbehovet för eftervärme kräver en större grundinvestering, men det går också att göra en större kostnadsbesparing på sikt. Examensarbetet tittade på hur ekonomiskt hållbar en sådan löning var.

Olika metoder används för att undersöka en investerings lönsamhet. Hyresvärdar och bostadsrättsföreningar, vilka antogs vara de vanligaste köparna av GeoFTX-system, kan stå inför diverse olika investeringsalternativ för att öka energieffektivitet och sänka kostnaden i sina byggnader. Dessa investeringar kommer troligtvis att variera i ekonomisk livslängd. I examensarbetet användes därför internräntemetoden då den anses vara bäst lämpad för att jämföra investeringsalternativ med olika ekonomisk livslängd [2]. Internräntemetoden går ut på att räkna fram en ränta som kan jämföras med kalkylräntan vilken är den önskade årliga avkastningen på en investering.

Om internräntan är högre än kalkylräntan anses det vara en lönsam investering. För att beräkna internränta används grundinvesteringskostnad (G), kassaflöde (c) och ekonomisk livslängd (n). Kassaflöde är det kapital som en investering genererar eller sparar under en given tidsperiod, ofta ett år. Den ekonomiska livslängden är hur länge investeringen förväntas vara i drift. En förutsättning för internräntemetoden är att kassaflödet antas kunna återinvesteras till internräntan.

Den ekonomiska livslängden för borrhålet antogs vara 60 år, [3]. Beräkningarna baserades på dimensionerande vinter­utetemperaturer från Göteborg och Stockholm. Luftflödet som användes motsvarade ungefär ventilerad bostadsyta, enligt BBR:s nuvarande rekommendationer. Som värmeåtervinningsgrad för ventilationsvärmeväxlaren användes 85 procent och 25 procent vid avfrostning. Den höga värmeåtervinningsgraden gjorde att kostnadsbesparingar som kom av minskad energianvändning försummades, istället koncentrereades arbetet helt på kostnadsbesparingar som uppstod på grund av minskat effektbehov.

Effektbehovet för eftervärmning i ett FTX-system utan geotermisk förvärmning beräknades, därefter vilken borrhålslängd som krävs för att behovet för eftervärme ska elimineras. Efter det beräknades vilken effekt som krävs för att driva ett sådant GeoFTX-system. Differensen mellan effektbehovet för eftervärme och effekten för att driva GeoFTX-systemet multipliceras sedan med fjärrvärmebolagens rörliga kostnad för effekt (kr/kW). Detta gav ett kassaflöde. Därefter beräknades grundinvesteringskostnaden och slutligen internräntan.

Resultat:

Beräkningsresultaten för internräntan redovisas i figur 2. Kassaflödet, pengarna som kunde sparas varje år, var cirka 28 000 kronor i Stockholm och cirka 24 000 kronor i Göteborg. Skillnaden beror på olika dimensionerande utetemperatur vintertid. Vad som är en bra internränta är inte någon exakt vetenskap. Vad som är en lönsam investering står i relation till vilka andra investeringsmöjligheter som finns vilket gör att det är olika från fall till fall. Det bör tilläggas att systemen på båda orterna betalade sig själva efter cirka en fjärdedel av den ekonomiska livslängden, därefter blev alla inbetalningar vinst.

Många faktorer påverkade resultatet. En lägre värmeåtervinningsgrad än de
85 procent som antogs i arbetet hade krävt en längre borrhålslängd för att effektbehovet för eftervärme fortfarande skulle elimineras. Det hade i sin tur lett till en högre grundinvesteringskostnad. På samma sätt hade en högre värmeåtervinningsgrad än de 25 procent som användes vid avfrostning lett till ett lägre kassaflöde och en lägre internränta. Det är också viktigt att komma ihåg att värmeåtervinningsgrad hos en ventilationsvärmeväxlare varierar under driften.

Att förvärma luften så mycket att effektbehovet för eftervärme helt elimineras kräver ett relativt djupt borrhål som i sin tur leder till hög grundinvesteringskostnad. Ett kortare borrhål som inte eliminerar effektbehovet för eftervärme men som ändå är dimensionerat för att undvika frostbildning i värmeväxlaren skulle med största sannolikhet ge en högre internränta. I Kempes och Jonssons undersökning från 2015 eliminerades inte eftervärmningsbehovet. Där var extrakostnaden för ett GeoFTX-system 400 000 kronor  och kassaflödet 42 000 kronor. Om internräntan beräknas på samma sätt skulle den bli 8,8 procent.

Examensarbetet tittade endast på ett GeoFTX-system under vinterdriften men tekniken har även visat sig fungera väl för att kyla ventilationsluft under sommaren [4]. I dagsläget finns det dock inte någon utvecklad och accepterad affärsmodell för att ta betalt för geotermisk komfortkyla i bostäder men med sannolikt fortsatt stigande utetemperaturer i Sverige och globalt är det troligt att efterfrågan växer vilket gör att det inte är osannolikt att det i framtiden kommer finnas en affärsmodell även för detta.

Artikelförfattare: Filip Johansson, arbetsledare, GSB Entreprenad och projektledning AB.