Strømforbruk enebolig

De neste innleggene vil handle om energi. Strømforbruket i et vanlig bolighus er en nyttig referanse, og det er en av grunnene til at jeg i dette innlegget viser strømforbruket i huset som jeg bor i sammen med familien. Det er et vanlig halvannen etasjes hus med grunnflate 100 kvadratmeter ved Oslofjorden. Det er kald kjeller under huset. Huset ble bygget i 1978 med 10 cm isolasjon i veggene. Det ble påbygget fem år senere med tykkere isolasjon i de nye veggene. Ingen vinduer eller dører er byttet. Isolasjonen er representativ for et 40 år gammelt hus.

I diskusjonen om landbasert vindkraft i Norge blir ofte energisparing og -effektivisering trukket frem som alternativer til å øke produksjonen. I de siste 20 årene har familien vært bevisst på sparing og effektivisering. En av hensiktene med å skrive dette innlegget er å vise hva vi har oppnådd med det, hva det har kostet, og hvorfor vi ikke gjør mer.

Figur 1: Årlig strømforbruk til vårt halvannen etasjes hus med 100 kvadratmeter grunnflate.Grønne søyle er forbruket til varmepumpen. Røde søyler er strømforbruket som ikke har gått gjennom varmepumpen. (Klikk på figuren for å se den i full størrelse.)

Figur 1 viser strømforbruket f.o.m. 1979. Vi fikk ny smartmåler høsten 2018, uten at det påvirket strømforbruket. Jeg tror derfor at den gamle måleren var korrekt.

De første cirka 10 årene fyrte vi med en parafinovn i tillegg til elektriske panelovner. Parafinovnen ble også brukt litt i årene før den ble erstattet med en vedovn i 1998. Vedovnen blir fyrt opp cirka 20 ganger hver vinter og brenner i noen timer hver gang. Den har stort sett blitt brukt til å få opp varmen kalde morgener. Jeg har ikke loggført hverken parafin- eller vedforbruket. Parafinovnen reduserte nok årlig strømforbruk med flere tusen kilowattimer i de første 10 årene. Vedovnen reduserer årlig strømforbruk bare med noen hunde kilowattimer, se appendiks B.

SSB skriver at gjennomsnittlig nyttbart energibruk i 2001 i norske eneboliger var 21349 kilowattimer (kWh) elektrisitet og 4085 kWh fra olje, parafin, koks, kull og ved. Energibruken i 2012 var omtrent som i 2001. Huset vårt brukte mer enn gjennomsnittet frem til 1996 og mindre enn gjennomsnittet etter det. SSB skriver også at husholdningenes strømforbruket i 2012 var 7600 kWh per person. Antall beboere i huset vårt har variert mellom 5 og 2 i årene dekket av Figur 1, og vi har hele tiden hatt lavere strømforbruk per person enn det norske gjennomsnittet i 2012.

Figur 1 viser at årlig strømforbruk steg jevnt til begynnelsen av 1990-tallet da de to eldste barna flyttet hjemmefra. Strømforbruket falt veldig i 1997 da nye panelovner med elektronisk termostat og natt- og dagsenkning ble montert. Natt- og dagsenkningen ble kjørt for hardt. Det gikk ut over varmekomforten i huset. Et hus trenger mange timer på å bli gjennomvarmt. Ovnene slo seg på to timer før vi sto opp og før vi kom hjem fra arbeid og skole, men vegger og inventar trenger lenger tid på å bli gjennomvarmt. Vi erfarte også at det skapte problemer for opplegget når noen ville sitte lenge oppe om kvelden og når noen var hjemme på dagtid. Sagt mer teknisk så har oppvarmingen av et hus for lang tidskonstant til at natt- og dagsenkning kan bidra vesentlig uten at det går ut over varmekomforten.

I desember 2007 monterte vi en Panasonic luft til luft varmepumpe. Den er plassert sentralt i et trappeløp og varmer opp hele huset. Når det er mange kuldegrader eller fuktig luft ute som gjør at den iser mye, må vi spe på med enten vedovn eller panelovner om morgenen. Se appendiks A for mer informasjon om varmepumper og om vår erfaring.

Høsten 2012 byttet vi ut gammelt kjøleskap og en veldig gammel fryser med nye og energieffektive modeller. Vi har også byttet ut alle lyspærene, først med sparepærer og så med LED pærer. Denne effektiviseringen er nok årsaken til at forbruket har sunket siden 2010 og nå har stabilisert seg på omkring 10 tusen kilowattimer per år.

I et senere innlegg vil jeg vise at den gjennomsnittlige årlige energibruken per person globalt har økt opp gjennom årene, og at den i de siste årene har flatet ut på i underkant av 8 tusen kilowattimer per år. Det er nyttbar energi, tilsvarende energien huset vårt trekker fra strømnettet. Det setter strømforbruket vårt i perspektiv.

De grønne søylene i Figur 1 viser forbruket til varmepumpen. Det har steget år for år. Noe av stigningen skyldes at vi har hevet innetemperaturen og at nytt kjøleskap, ny fryser og nye lyspærer avgir mindre varme enn de gamle, noe som varmepumpen må kompensere for. Noe av økningen kan også skyldes at varmepumpen har blitt eldre og mindre effektiv.

Varmepumpen har ikke mulighet for automatisk nattsenkning fordi den jobber mest effektivt med jevn belastning. De siste årene har vi stilt inn termostaten til behagelig innetemperatur når vinteren kommer og latt den stå slik til våren kommer.

Varmepumpen kostet 21 tusen kroner inkludert montering og flytting en gang. Jeg gjør service på den selv, og jeg har ikke hatt hverken reparasjon- eller vedlikeholdsutgifter. Med 5 prosent diskonteringsrente, kilowattimepris 1 kr, og en årlig besparelse på 3 tusen kilowattimer, ble varmepumpen spart inn etter 8 fyringssesonger. Den har i tillegg gitt oss bedre varmekomfort enn vi hadde tidligere.

Figur 1 er basert på årlige avlesninger frem til 1996 og hyppige avlesninger skrevet inn i et regneark fra 1997 og frem til nå. Regnearket ble ajourført cirka hver uke i fyringssesongen og litt sjeldnere utenom den. Figur 2 og 3 viser døgnforbruket i henholdsvis 2008 og 2018. Bare kona og jeg bodde i huset da.

Figur 2: Daglig strømforbruk gjennom 2008. Den røde kurven viser det totale forbruket og den grønne kurven viser forbruket til varmepumpen. (Klikk på figuren for å se den i full størrelse.)

Figur 3: Daglig strømforbruk gjennom 2018. Samme figurforklaring som for Figur 2. (Klikk på figuren for å se den i full størrelse.)

Avstanden mellom rød og grønn kurve i Figur 2 og 3 viser forbruket til alt annet enn oppvarming, bortsett fra på de kaldeste dagene da vi noen ganger satte på et par panelovner fordi varmepumpen ikke klarte jobben alene. Avstanden mellom kurvene er litt mindre om sommeren fordi vi da er litt mindre inne og bruker litt mindre strøm til opplysning.

Døgnforbruket om sommeren lå på drøye 22 kilowattimer i 2008. I 2018 hadde det falt til drøye 12 kilowattimer. Årsaken er nytt kjøleskap, ny fryser og LED lyspærer.

Figur 1 viser at varmepumpen brukte litt mindre enn 5 tusen kilowattimer i 2018. Med litt strøm til panelovner i tillegg og en kilowattimepris på 1 krone er det oppvarmingskostnad på cirka 5 tusen kroner i året. Jeg antar at varmtvann utgjør 40 prosent av strømforbruket som ikke går til oppvarming, dvs. cirka 2 tusen kilowattimer. Så vi betaler cirka 7 tusen kroner for oppvarming og varmtvann i året. For å redusere det betydelig måtte vi ha investert i en jord til vann varmepumpe, dvs. bore en kostbar energibrønn. Huset har ikke røropplegg for vannbåren varme, så totalinvesteringen ville nok blitt på flere hundre tusen kroner. Det ville helt sikkert ikke lønt seg, og vi har derfor ingen planer om å gjøre det.

Appendiks A   Varmepumpens COP factor

COP er forkortelse for Coefficient Of Performance. Den har ingen benevning. Den er definert som varmeenergien varmepumpen avgir dividert på energien som den trekker fra strømnettet. COP er ofte omkring 3, som betyr at varmepumpen avgir 3 ganger mer energi enn den trekker fra nettet.

En varmepumpe er en omvendt varmemaskin. Den maksimale teoretiske virkningsgraden til en varmemaskin er bestemt av termodynamikkens lover. Jeg går først gjennom det før jeg vender tilbake til varmepumpe.

En varmemaskin genererer et mekanisk arbeid W ved å overføre varme Q_h fra et varmt område og avgi mindre varme Q_c til et kaldere område. Varmelærens første hovedsetning om energibevarelse tilsier at

W = Q_h - Q_c

Virkningsgraden ε er mekanisk arbeid dividert på varmeenergien som ble hentet fra det varme området. Basert på varmelærens andre hovedsetning og Carnots teorem er maksimal teoretisk virkningsgead ε_mt som vist i neste ligning.

T_h og T_c er absolutt temperatur målt i grader Kelvin i henholdsvis varmt og kaldt område.

Eksempel: Varmt område er bensindamp som eksploderer i en bensinmotor og kaldt område er omgivelsene. Hvis temperaturen i sylinderen der bensinen eksploderer er 800°C (1073 K) og omgivelsestemperaturen er 20°C (293 K), er den maksimale teoretiske virkningsgraden (1073-293)/1073 som er 0,73, dvs. 73 prosent. I praksis er virkningsgraden til en bensinmotor godt under 30 prosent.

Ligningen viser at en varmemaskin trenger stor temperaturdifferanse for å være effektiv. Når temperaturdifferansen er liten, er virkningsgraden lav. Da får vi lite arbeid igjen for å overføre store energimengder fra varmt til kaldt område. Men for en varmepumpe ønsker vi akkurat det, stor overføring av varmeenergi til varmt område med lite tilført arbeid W. Neste ligning viser den maksimale teoretiske COP vi kan få i en varmepumpe.

Den varme luften som blåser ut av en varmepumpe er typisk 40°C (313 K). Med utetemperatur minus 10°C (263 K) er 6,3 maksimale teoretiske grense for COP. Med utetemperatur pluss 7°C er maksimale teoretiske grense 9,5. I praksis er COOP vesentlig lavere ved begge temperatureksemplene.

Princeton-notatet Thermal efficiency anbefales for mer detaljer om varmemaskiner og varmepumper.

Når det er fuktig ute, kondenserer fuktigheten i luften når den avkjøles i varmepumpens ytterdel. Når det er kaldere enn et par varmegrader, fryser kondensen til is i varmeveksleren, og varmepumpen må bruke energi for å tine den. Varmepumpen vår gjør det ved å reversere, dvs. ved å pumpe varme fra innerdelen til ytterdelen. Under slike forhold jobber varmepumpen tungt. Min erfaring er at slike fuktige forhold reduserer COP mer enn tørr og kald uteluft.

Varmepumpen er veldig effektiv når det er varmegrader ute. Temperaturdifferansen mellom inne- og utetemperatur er liten, noe som gir høy COP. Ytterdelen til varmepumpen iser ikke. Når det er fuktig og varmere enn cirka 4 varmegrader ute, kondenserer typisk 10 liter vann i døgnet på ytterdelen. (Jeg samler opp vannet i en bøtte for å unngå at det renner ned langs grunnmuren, og vet derfor hvor mye som kondenseres.) Når vanndamp kondenserer, avgir den sin latente varme. For vanndamp ved 5°C er det 0,69 kilowattimer (kWh) per kg vanndamp. 10 liter kondensert vann har følgelig avgitt nærmere 7 kWh varmeenergi i varmeveksleren i ytterdelen, noe jeg antar bidrar til å øke effektiviteten til varmepumpen. Dvs. at fuktig luft er en fordel når det er mer enn 4 varmegrader ute.

Appendiks B  Vedovn

Om natten har vi ingen annen varmekilde i huset enn varmepumpen. Kalde vinternetter og -morgener klarer den ikke å holde behagelig innetemperatur. Da er det er typisk 17°C i stuen når jeg står opp. For å få opp varmen kan jeg enten fyre opp en vanlig rentbrennende vedovn eller slå på et par panelovner i noen timer. 'Noen timer' er mindre enn 4. Panelovnene har kapasitet tusen watt hver. Termostatene regulerer dem til gjennomsnittlig cirka 500 watt effekt. Dvs. jeg trenger mindre enn 4 kWh energi for å få behagelig innetemperatur.

Alternativet er å fyre opp vedovnen. Noen ganger brenner jeg vedbriketter i den. De er av merke Clean Flame som er laget av tørr sagflis. De har vært oppbevart utpakket i tørr stue noen dager før de brennes. Hver brikett har i følge produsenten 4 kWh varmeenergi. Jeg må typisk brenne 6 stykker for å få behagelig innetemperatur. Dvs. at 24 kWh varmeenergi fra vedbrikettene gir like mye varme i rommet som 4 kWh fra panelovnene. Det gir en virkningsgrad for vedovnen på 1/6, dvs. 17 prosent.

Det er mange feilkilder i måleopplegget mitt. Ingen morgener er like, og jeg har ikke loggført hvordan varmepumpen reagerer på drahjelpen fra ekstra oppvarming. Men jeg bommer neppe mer enn med en faktor to, som tilsier at den totale virkningsgraden til vedovnen er dårligere enn 34 prosent.

Dette har jeg erfart gjennom flere år. Ovnen er rentbrennende, og jeg feier den innvendig regelmessig. Jeg følger godt med og ser at forbrenningen er god og at trekullet brennes opp. Feieren sier at pipen viser god forbrenning i ovnen. Jeg synes at det er hyggelig med fyr i ovnen når jeg en kald vintermorgen drikker morgenkaffen min, og i utgangspunktet ønsker jeg at vedovnen skal være både effektiv og økonomisk. Min subjektive preferanse er derfor god virkningsgrad. Vi mennesker er ofte påvirket av våre subjektive preferanser, så det er minst like sannsynlig at virkningsgraden er mindre enn 17 prosent som at den er over. For meg er vedfyring bare økonomisk når jeg har tilgang til gratis ved. Ellers blir vedfyringen for hyggens skyld eller for å tørke pipen etter mye nedbør.

Nettstedet Energi og Klima har diskutert om norsk gass brukes effektivt på kontinentet når husholdningene brenner den i små gassovner. Tre sivilingeniører hevder at det er veldig lite effektivt, bl.a. i innlegget Seiglivede myter om bruk av gass. De begrunner det med varmelærens 1. og 2. lov, og de setter opp ligninger tilsvarende de jeg brukte for varmemaskiner i appendiks A. Flere er uenige med de tre sivilingeniørene. Selv mener jeg at de misforstår varmelærens andre lov og Carnots teorem, som bare gjelder når vi skal utnytte en temperaturforskjell til å generere mekanisk arbeid. De gjelder ikke for maksimal teoretisk virkningsgrad i ovner; der kan virkningsgraden bli 90 prosent når røykgassene kjøles ned før de forlater pipa. Men en stund trodde jeg at de tre sivilingeniørene hadde rett, basert på erfaringer med egen vedovn.

Noen vedovner har vannkappe forbundet med en stor vanntank for å øke effektiviteten. Produsentene hevder at slike ovner har effektivitet opp mot 90 prosent. En artikkel i Teknisk Ukeblad tar utgangspunkt i 70 prosent effektivitet for nye lukkede ovner. Jeg betviler ikke at det er mulig å oppnå så gode virkningsgrader, samtidig som tror at det i praksis ikke er mulig å få god virkningsgrad fra en vanlig vedovn som brennes bare i noen timer. Og det er slik de fleste vedovner i Norge brukes. Det er en av mange andre, og mye viktigere, årsaker til at jeg er skeptisk til storsatsning på bioenergi som noen argumenterer for. Det kommer jeg tilbake til i senere innlegg.