Beregning av sentral varme og kjøling etter NS 3031:2025

Lokal og sentral energiforsyning

NS3031:2025 skiller mellom lokal termisk energiforsyning (f.eks. luft-til-luft varmepumpe eller panelovn) og sentral energiforsyning (vannbåren varme/kjøling fra energibrønner, kjeler, fjernvarme osv.).

Lokal energiforsyning forsyner én enkelt sone, og kapasiteten [W] er utelukkende bestemt av sonens egen avgivelseskapasitet. Med unntak av luftvarmepumper (der kapasitet avhenger av utetemperatur), behandles disse som konstante over året.

Sentral energi kan være delt mellom flere soner, og leveransekapasiteten kan derfor være mindre enn samlet etterspørsel fra bygget. Tilgjengelig kapasitet i en gitt sone, for et gitt beregningssteg, er begrenset både av sonens egen avgivelseskapasitet og av energimengden energisentralen kan levere til denne sonen dette steget.

For prosjekter med sentral energiforsyning benyttes akkumulatorer som buffer mellom produksjon og forbruk. Som beskrevet i NS 3031:2025, forutsettes tre akkumulatorer: for oppvarming, kjøling og varmtvann. Dette innebærer at leveransekapasiteten til energisentralen på kort sikt er større enn produksjonskapasiteten, ettersom bygget kan tappe akkumulert energi. Det betyr også at bygget kan ha termisk energiforbruk selv når ingen av sonene har et termisk energibehov, fordi akkumulatorer lades.

Arkitektur og energiflyt

Figuren under viser den overordnede energiflyten i en sentral energiforsyningsmodell. De små pilene representerer etterspørsel etter termisk energi – sonene etterspør varme fra avgiverne, avgiverne etterspør fra distribusjonsnettet, distribusjonsnettet etterspør fra akkumulatoren, og akkumulatoren etterspør fra energisentralen. De store pilene representerer varmetap til omgivelsene fra hvert ledd i kjeden.

Energiflyten fra sentral energiforsyning via akkumulatorer og distribusjonsnett til sonene. Små piler: etterspørsel. Store piler: varmetap.

Eksempel: fra sonebehov til levert energi

For å illustrere energiflyten, betrakt følgende forenklede eksempel:

Sone A har en lokal luft-til-luft varmepumpe (rang 1, maks 10 kW) og vannbåren gulvvarme (rang 2, maks 30 kW). Effektbehovet et gitt tidssteg er 25 kW.

Avgiverne allokeres i rangert rekkefølge: varmepumpen leverer 10 kW (full kapasitet), og gulvvarmen leverer de resterende 15 kW. Gulvvarmen har imidlertid et varmetap på 5 kW til grunn. Varmeanlegget i sonen etterspør derfor $15 + 5 = 20\;\text{kW}$ fra distribusjonsnettet.

Distribusjonsnettet har selv et varmetap på 5 kW og etterspør derfor $20 + 5 = 25\;\text{kW}$ fra akkumulatoren. Akkumulatoren har et varmetap på 5 kW og etterspør derfor $25 + 5 = 30\;\text{kW}$ fra varmesentralen.

Varmesentralen består av rangerte varmekilder – akkurat som avgiverne i sonen. La oss si fjernvarme (rang 1) og elkjel (rang 2). Sentralen må levere til flere soner, og fjernvarmen kan bare levere 20 av de 30 kW som akkumulatoren etterspør på vegne av Sone A. De resterende 10 kW leveres av elkjelen. Fjernvarmen og elkjelen har også varmetap – la oss si 5 kW hver. Energisentralen etterspør dermed $20 + 5 = 25\;\text{kW}$ fjernvarme og $10 + 5 = 15\;\text{kW}$ elektrisk energi for å dekke Sone A sitt varmebehov.

Beregningspipeline per tidssteg

Hvert tidssteg følger en femstegs pipeline:

Fortegnskonvensjon: I simuleringen er oppvarmingseffekter positive og kjøleeffekter negative. I rapportering brukes absoluttverdier for begge.

To-pass algoritmen

Pass 1: Ubegrenset behov

Alle soner simuleres med ubegrenset tilgjengelig sentral kapasitet ($P_\text{tilgj} = \infty$). Resultatet representerer sonenes "ønskede" behov. For hver sone hentes behovene ut og lagres i en behovsstruktur per kategori. Distribusjonstap legges til slik at kildene allokeres for å dekke både sluttbruk og rørtap:

Pass 2: Kapasitetsbegrenset refordeling

Etter kildeallokering sammenlignes tilgjengelig levert effekt med totalbehovet. Dersom tilgjengelig kapasitet er utilstrekkelig (med 0,5 % margin), reberegnes berørte soner med sin proporsjonale andel:

Kun soner som faktisk er kapasitetsbegrenset reberegnes. I de fleste tidssteg har kildene tilstrekkelig kapasitet, og pass 2 hoppes over. Oppvarming og kjøling håndteres uavhengig (en sone kan være kapasitetsbegrenset på varme men ikke på kjøling).

Det forutsettes alltid å være nok kapasitet (lokal + sentral) til å dekke varmtvannsbehovet (jf. NS 3031:2025). Dersom allokert varmeenergi er mindre enn etterspurt energi til varmtvann, regnes den ikke-dekkede andelen som forsynt lokalt med elektrisk energi.

Kapasitetsallokering ved begrenset kapasitet

For den enkelte sone prioriteres begrenset kapasitet i følgende rekkefølge:

Eksempel: allokeringslogikk ved begrenset kapasitet

Tilgjengelig sentral varmekapasitet: $5\;\text{kW}$.

Steg 1 – Varmtvann (2 kW totalt): $2 < 5$ – begge soner får 100 %. Rest: 3 kW.

Steg 2 – Ventilasjonsvarme (2 kW totalt): $2 < 3$ – Sone B får 100 %. Rest: 1 kW.

Steg 3 – Romoppvarming (6 kW totalt): $1 < 6$ – Sone B får $1/6 \approx 16{,}7\%$.

Resultat: Sone A: 1 kW (100 % varmtvann). Sone B: $1 + 2 + 1 = 4\;\text{kW}$ (100 % varmtvann, 100 % ventilasjon, 16,7 % romvarme).

Kilderangering og allokering

Grunnlast og spisslast

Energikilder rangeres i en prioritetsrekkefølge som brukeren definerer. Solfangere (uregulerbare) plasseres alltid først som grunnlast. Den siste kilden i rangeringen behandles som ubegrenset i normerte beregninger (NS 3031:2025), som tilsvarer antagelsen om at spisslasteffekten alltid er tilstrekkelig.

Greedy allokering

Allokeringen itererer gjennom kildene i prioritetsrekkefølge. Hver kilde leverer opptil sin maksimale kapasitet, og gjenværende behov sendes videre til neste kilde:

Totalbehovet som fordeles er akkumulatorens $P_\text{mottatt fra kilde}$, som inkluderer både leveranse til bygget og tanktap.

Allokeringsrekkefølge

Varmtvann allokeres før oppvarming, som igjen allokeres før kjøling. Dette sikrer at varmtvann (som har prioritet iht. NS 3031) får forrang ved begrenset kapasitet. For varmepumper brukes en tidsfordelingsmodell (NS 3031 Tillegg K.4): den tiden som brukes til varmtvann er ikke tilgjengelig for oppvarming:

Samlet kildeproduksjon for varme og kjøling

For kjøling beregnes etterspurt kapasitet fra akkumulatoren basert på total etterspørsel fra både romkjøling (vannbåren avgiver) og ventilasjonskjøling (ventilasjonsbatteri). Denne totale etterspørselen brukes til å beregne akkumulatorens etterspørsel fra kjølekildene. Det er viktig at dette gjøres samlet, da virkningsgraden til sentrale kjølekilder avhenger av total produksjon – komponentene kan ikke beregnes og summeres hver for seg.

Tilsvarende for varme, men noe mer komplisert: total etterspørsel fra sentrale varmekilder er summen av etterspørselen til akkumulatorene for oppvarming og varmtvann.

Pre-allokering av solfanger

Solfangerens produksjon er uregulerbar og må fordeles mellom varmtvanns- og oppvarmingstanken før den øvrige allokeringen. Fordelingen følger fem prioritetssteg, der hvert steg bruker gjenværende soleffekt etter forrige steg:

For hvert steg beregnes nødvendig effekt for å nå måltemperaturen basert på akkumulatorens termiske tilstand. Resultatet setter solfangerens makskapasitet i henholdsvis varmtvanns- og oppvarmingsallokeringen.

Akkumulatortankmodellen

Akkumulatortanken modelleres som et fullt blandet (en-node) termisk volum med eksponentiell temperaturrespons. Separate tanker brukes for oppvarming/varmtvann og for kjøling.

Temperaturmodell

Tankens tidskonstant beskriver responshastigheten. Større tanker har lengre tidskonstant og reagerer tregere på endringer:

Tidsstegfaktoren $K$ uttrykker hvor stor andel av temperaturforskjellen som gjenstår etter ett tidssteg:

Stasjonærtemperaturen er temperaturen tanken ville nådd med konstant tilførsel og behov over uendelig tid:

Tanktemperaturen etter ett tidssteg beregnes som en eksponentiell tilnærming mot stasjonærtemperaturen:

der $T_{S,0}$ er temperaturen ved starten av tidssteget, $T_a$ er omgivelsestemperatur, $q_S$ er tilført effekt fra kilder, og $L$ er levert effekt til bygget.

Fire driftstilfeller

Akkumulatoren opererer i ett av fire tilfeller avhengig av forholdet mellom tilgjengelig effekt og krav:

Sentrale kilder produserer den mengden akkumulatoren etterspør, begrenset oppad av egen kapasitet. Akkumulatoren etterspør den mengden som skal til for å opprettholde sin settpunkttemperatur, gitt sitt eget varmetap og mengden distribusjonsnettet etterspør. Distribusjonsnettet etterspør den mengden bygningsbrukere etterspør pluss mengden som går tapt ved leveranse.

I tilfelle 1, dersom tanktemperaturen krysser $\theta_\text{min}$ (minimumstemperatur for leveranse), begrenses uttaket slik at temperaturen holdes på grensen. Maksimalt uttak beregnes fra energibalansen:

der $C = c_{p,w} \cdot \rho_w \cdot V / 1000$ er tankens varmekapasitet i J/K.

Energibalanse

Hvert tidssteg tilfredsstiller energibalansen:

Varmetapet fra tanken til omgivelsene beregnes med gjennomsnittlig tanktemperatur over tidssteget:

Distribusjonstap

Energikilder, akkumulatorer og fordelingsrør har varmetap til omgivelsene som varierer med temperaturdifferensen mellom sirkulert medium og omgivelsene, og egenskapene til rørnettet (lengde, isolasjonstykkelse). For systemer innenfor en sone regnes varmetapet som uregulert varmetilskudd til sonen. Ellers regnes energien som tapt.

Tre distribusjonssystemer bidrar med tap som legges til det sentrale behovet:

Vannbåren romoppvarming og kjøling

Rørvarmetap fra vannbårne forsyningssystemer beregnes etter forenklet metode (NS 3031:2025 Tillegg H, formel H.4):

der $L''$ er spesifikk rørlengde [m/m²], $U'$ er lineær U-verdi [W/(m·K)], $\theta_\text{em}$ er middel medietemperatur (tur+retur)/2, og $\varphi$ er andel i uklimatiserte soner. Tap i klimatisert sone er temperaturavhengig og beregnes per tidssteg; tap i uklimatisert sone er konstant.

Varmtvannsdistribusjon

Modellen støtter både åpne systemer (stoppkranmetode) og sirkulasjonssystemer. For forenklet åpent system (H.11-H.12):

der $K_\text{HW} = 0{,}19$ W·dag/m og $n_\text{open}$ er tappefrekvens per døgn. Tapet skaleres per tidssteg med relativ tapping (faktisk/midlere). For sirkulasjonssystemer (H.13-H.14) beregnes tapet analogt med romoppvarming, men med varmtvannstemperatur og egen rørlengde.

Ventilasjonsbatterier

Distribusjonstap fra vannbårne varmebatterier i ventilasjonsaggregater beregnes med samme H.4/H.5-formler som romoppvarming, men med batterispesifikke parametre (rørlengde, medietemperatur).

Tilbakekobling av spillvarme

Varmetap fra distribusjon, akkumulatorer og energikilder tilføres sonene som termisk tilskudd. All tilbakekobling er forsinket med ett tidssteg: tilskudd beregnet i steg $n$ brukes som inngangsstørrelse i steg $n+1$.

Korreksjon for dobbelttelling og dellast

Delt kildetap

Kilder som betjener både varmtvann og oppvarming (elkjel, fjernvarme, forbrenningskjel) beregner tapene separat for hver kategori. Faste tap (manteltap) ville da telles dobbelt. Korreksjonen reberegner totaltapet med samlet produksjon og fordeler proporsjonalt:

Varmepumpe dellastkorreksjon

Når varmepumpen betjener både varmtvann og oppvarming samtidig, korrigeres dellastberegningen (NS 3031 Tillegg K.4): varmtvann kjøres med full last (ingen dellastkorreksjon), mens oppvarming kjøres med dellastkorreksjon basert på gjenværende tidsandel.

Beregningspunkt for avgivertap: en tvetydighet i NS 3031:2025

Beregningspunkt A–D

NS 3031:2025 definerer fire beregningspunkt langs energikjeden:

Tvetydigheten

Avgivere – radiatorer, gulvvarmekabler, kjølebafler, konvektorer – har alle et visst tap. NS 3031:2025 omtaler dette som «vap fra varme- og kjøleavgivere i rom», men standarden er ikke entydig på hvilket beregningspunkt dette tapet skal regnskapsføres.

BEMify fører alt avgivertap på beregningspunkt C (tilført energi). Resonnementet er at avgivertapet er en egenskap ved leveransesystemet, ikke ved sonens termiske behov. Sonen trenger en viss mengde varme (A); det at avgiveren har tap betyr at det sentrale systemet må tilføre mer (C). Denne tolkningen behandler avgivertap konsistent med øvrige distribusjonstap.

SIMIEN fører vannbåren avgivertap på beregningspunkt B (brutto energibehov) og lokalt avgivertap (fra panelovner o.l.) på beregningspunkt C. Resonnementet er at vannbårne avgivere er fysisk plassert i sonen, og at deler av tapet gjenvinnes som nyttig varme. Derfor regnes avgivertapet som en del av sonens bruttobehov.

Praktisk konsekvens

Forskjellen betyr at BEMify og SIMIEN rapporterer ulike verdier for beregningspunkt B og C, selv med identiske inndata. BEMify vil typisk ha et lavere B og et høyere gap mellom B og C enn SIMIEN.

Beregningspunkt D (levert energi per energibærer) – som er grunnlaget for energimerket – påvirkes ikke. D representerer den totale energien som krysser systemgrensen, uavhengig av hvordan de interne tapene fordeles mellom B og C.

Der forskjellen kan ha betydning er i kontekster der B eller C brukes direkte – for eksempel i energioppfølging, BREEAM-NOR-rapportering eller TEK-beregninger som refererer til spesifikke beregningspunkt.

Rapportering

Soneandel og termisk kildeytelse

Kildenes effekter ($\text{input}_W$, $\text{output}_W$, $\text{tap}_W$) skaleres med sonens andel av totalbehovet før de rapporteres på sonen:

Resultatene lagres per energibærer (levert elektrisitet, levert brensel, levert fjernvarme, levert fjernkjøling) og per kategori (romoppvarming, ventilasjonsvarme, varmtvann, romkjøling, ventilasjonskjøling).

Beregningspunkt C og D

Beregningspunkt C (tilført energi) for termiske poster summerer $\text{input}_W$ over alle energibærere for hver kategori. Beregningspunkt D (levert energi) grupperer de samme verdiene per energibærer. Uten solfanger er C og D identiske for termiske poster (samme datakilde).

Konstanter og standardverdier

Oppsummering av modellvalg

NS 3031:2025 seksjon 8 (distribusjonstap), Tillegg H (modeller for distribusjonstap), Tillegg I (akkumulering), Tillegg J (elkjeler), Tillegg K (varmepumper), Tillegg L (solfangere), Tillegg N.4 (forbrenningskjeler), Tillegg O (fjernvarme/-kjøling). ISO 13790:2008 (termisk sonemodell, 5R1C).