Termisk masse og klimatisering av bygninger - Bygg uten grenser

byggutengrenser.no

Termisk masse og klimatisering av bygninger - Bygg uten grenser

mindre miljøbelastning

lavere energibruk

høyere komfort

lavere byggekostnader

Termisk masse og klimatisering av bygninger

–en oversikt tilrettelagt for byggherrer, arkitekter og rådgivende ingeniører

gettyimages®


Termisk masse – lavere energibehov, mindre miljøbelastning og høyere komfort

Hensikten med denne trykksaken er å sette fokus på potensialet eksponert

termisk masse i bygninger har til å redusere energibehovet til klimatisering,

samt å peke på noen utfordringer knyttet til å eksponere tunge materialer.

Det er flere grunner til bevisst å utnytte de tunge bygningsmaterialenes

termiske masse til å akkumulere, magasinere og avgi varme over døgnet:

• For å redusere bygningers energiforbruk til oppvarming, kjøling og

ventilasjon, og derigjennom redusere klimagassutslipp og spare miljøet

• Nye forskriftskrav forutsetter at det gjøres tiltak for å unngå mekanisk

kjøling 1

• Bygningsnettverkets energistatistikk viser at kontorbygninger med

mekanisk kjøling bruker omlag 20 % mer energi enn kontorbygninger

uten mekanisk kjøling 2

• Forskning viser at det er høyere forekomst av syke bygg (SBS) i

bygninger med mekanisk kjøling enn i bygninger som klimatiseres

passivt (termisk masse i kombinasjon med nattkjøling) 3,4,5

• Kontorbygg oppført etter 1997 bruker statistisk mer energi enn eldre

kontorbygg 2 , blant annet på grunn av økt kjølebehov grunnet høyere

internlast fra lys og teknisk utstyr samt større solbelastning grunnet økt

vindusareal

1 Ny Teknisk forskrift (TEK) til Plan- og Bygningsloven trer i kraft 1. februar 2007 med 2

års overgangstid.

2 Bygningsnettverkets energistatistikk 2005, enova rapport 2006:2

3 Fisk, W. J. et. al. (1993) Phase 1 of the California Healthy Building Study: a Summary,

Indoor Air 1993; 3: pp 246-254.

4 Zweers, T. et. al. (1992) Health and Indoor Climate Complaints of 7043 Office Workers in

61 Buildings in the Netherlands, Indoor Air 1992; 2: pp 127-136.

5 Mendell, M. J. (1990) Elevated symptoms prevalence in air-conditioned office buildings:

A reanalysis of epidemic studies from the United Kingdom. Proceedings indoor Air ’90,

Vol. 1, pp 623-629

Hovedkvarteret til Bang & Olufsen i Struer, Danmark utnytter

eksponert termisk masse i både vegger og himlinger til å absorbere,

magasinere og avgi varme over døgnet. Fra Arkitektur DK nr. 6, 1999.

Foto B. Sørensen.

2


Termisk masse

En termisk tung konstruksjon virker som et energireservoar i forhold til de

rom konstruksjonen er eksponert mot. Energireservoarets egenskaper i

forhold til rommet avhenger av:

• Evnen det har til å holde på varme (varmekapasitet)

• Evnen det har til å lede varme (konduktivitet)

• Hvordan dets varmekapasitet og konduktivitet harmonerer med

døgnsyklusen til ytre påvirkninger av rommet

Noen illustrerende eksempler:

Mineralull leder varmen dårlig, og har dårlig varmekapasitet. Dette betyr

at materialet ikke utgjør noe reelt reservoar.

Stål har god varmekapasitet men leder samtidig varmen for godt. Dette

betyr at energireservoaret lades og tømmes for raskt i forhold til

døgnsyklus.

Tre har også relativt god varmekapasitet, men leder varmen dårlig. Den

dårlige ledningsevnen gjør at energireservoaret lades og tømmes for

langsomt i forhold til døgnsyklus.

Betong og murverk har god varmekapasitet og moderat ledningsevne.

Denne kombinasjonen gjør at energireservoaret kan lades og tømmes i

samsvar med døgnsyklus.

Bygningsmaterialene betong og murverk har ideell varmekapasitet og

konduktivitet i forhold til å magasinere og avgi termisk energi i samsvar

med døgnsyklusen. Temperatursvingningene over døgnet vil derfor være

mindre i en bygning med høy termisk masse enn i en bygning med lav

termisk masse, se illustrasjon til høyre. Det er grunnen til at det er mindre

energikrevende å opprettholde jevn temperatur i en tung bygning enn i en

lett. Ved bevisst utnyttelse av termisk masse flyttes overskuddsvarme fra

dagtid til nattestid, og på den måten reduseres både kjølebehovet og

oppvarmingsbehovet. Utnyttelse av den termiske massen forutsetter:

• At den termiske massen er eksponert mot romlufta

• At den termiske massen ligger innenfor isolasjonssjiktet

• At den termiske massen kan eksponeres for nattkjøling gjennom

naturlig eller mekanisk ventilasjon eller kjøles med sirkulerende kaldt

vann, såkalt frikjøling.

Simuleringsresultater av temperaturforløp for utetemperatur (blå),

romluftstemperatur for standard lett konstruksjon (sort) og

romluftstemperatur for tung konstruksjon med eksponert termisk masse

(rødt) over et tidsintervall på 24 timer gjort av SINTEF. Vi ser at

romluftstemperaturen i den lette konstruksjonen svinger mellom 17°C og

32°C mens romluftstemperaturen bare svinger mellom 22°C og 26°C i den

tunge konstruksjonen. Utetemperaturen svinger i det samme tidsintervall

mellom 13°C og 27°C. Både oppvarmings- og kjølebehovet er følgelig

lavest for den tunge konstruksjonen. Enheten langs y-aksen er grader

celsius [°C] og enheten langs x-aksen er tid [h].

3


Termisk masse i kombinasjon med nattkjøling og solavskjerming

En forutsetning for at den termiske massen skal kunne utnyttes til passiv

kjøling er at den akkumulerte overskuddsvarmen fra personer, utstyr og

solvarme gjennom dagen avgis nattestid ved mekanisk ventilasjon eller ved

at vinduer eller ventiler åpnes for naturlig gjennomstrømning av kjølig

natteluft, se illustrasjonen under. Naturlig eller mekanisk ventilasjon er en

viktig strategi for å fjerne varmeoverskudd i bygninger både på dagtid og

nattestid. Naturlig ventilasjon er spesielt godt egnet til å kjøle bygninger da

store luftskifter oppnås uten å bruke energi til vifter. Dette fordrer lave

lufthastigheter og store tverrsnitt hvilket ofte fører til at bygningen i seg

selv med rom, korridorer, atria og trapperom benyttes som føringsveier for

ventilasjonsluften i stedet for tradisjonelle ventilasjonskanaler.

Bygningselementer som dobbeltfasader, skorsteiner, vindfangere osv. kan

benyttes for å forsterke de naturlige drivkreftene.

Snittegning gjennom hovedkontoret til GSW i Berlin der eksponert betong i

himlingen akkumulerer overskuddsvarme på dagtid (venstre). Overskuddsvarmen

ventileres bort nattestid ved naturlig kryssventilasjon (høyre). Betonghimlingen er

”klar” til å absorbere overskuddsvarme igjen påfølgende dag. Kilde: . Sauerbruch

Hutton Architects (2000) GSW Headquarters, Berlin, Lars Müller Publishers.

Sola er deler av året vår venn og andre deler av året vår uvenn. Illustrert med en

tegning av Le Corbusier, Oevre Complete, 1938-40 (venstre). Deler av året trenger

vi sårt både lyset og varmen fra sola, mens andre deler av året må vi skjerme oss

mot sola for å unngå overoppheting. Bildene av hovedkontoret til GSW viser de

vertikale solavskjermingslamellene i perforert aluminium som tillater utsyn og

dagslysinnfall samtidig som 80 % av solenergien stoppes før den kommer inn i

bygget. Kilde: Sauerbruch Hutton Architects (2000) GSW Headquarters, Berlin,

Lars Müller Publishers.

Solavskjerming kan eliminere kjølebehovet eller redusere det betraktelig

slik at mekanisk kjøling kan unngås. Utvendig solavskjerming som dekker

hele glassarealet er å foretrekke. En uheldig effekt av noen typer

solavskjerming er at utsyn og dagslys blokkeres. Foruten tapet av

kvalitetene forbundet med utsikt oppstår unødvendig bruk av elektrisk

belysning hvilket øker både elektrisitetsbruken og internlasten og dermed

også kjølebehovet. Det er i det senere kommet til solavskjermingssystemer

som ikke blokkerer utsikten og som slipper igjennom dagslys.

4


Utfordringer med å eksponere termisk masse

Det er noen utfordringer knyttet til å eksponere den termiske massen. Disse

relaterer seg til:

• Akustikk (lang etterklangstid i rom med harde overflater)

• Kuldebroer (varmetap gjennom dårlig isolerte deler av bygningskropp)

• Samkjøring av passive og aktive tiltak for å unngå unødig kjøle- og

oppvarmingsbehov.

Harde overflater i rom er en konsekvens av å eksponere termisk masse, for

eksempel en betonghimling. Dette gir lang etterklangstid hvilket er

ugunstig for taletydeligheten i eksempelvis møterom. Utfordringen er å

dempe rommet uten å kortslutte den termiske kontakten mellom romluften

og den termiske massen. Tradisjonelt er det vanlig å benytte nedsenkede

himlinger av mineralull som absorbent i rom med akustikkrav. Denne

løsningen kortslutter den termiske utvekslingen mellom rommet og den

termiske massen. Utfordringen er å kombinere hensyn til akustikk (behov

for demping) og eksponering av termisk masse for å redusere engibehovet

til kjøling og oppvarming. Dette krever at man ser potensialet i å utnytte

vegger, skillevegger, møbler, gulv etc. til akustiske tiltak.

Tunge materialer som betong og tegl leder varme bedre enn for eksempel

tre. Når disse benyttes konstruktivt, eksempelvis i dekker, brannskillere og

utkragede balkongdekker og svalganger, er det viktig med detaljløsninger

som minimerer eller aller helst eliminerer kuldebroer. Dersom dette ikke

taes hensyn til vil kuldebroer stå for en stor del av transmisjonsvarmetapet

(20-40 %). En tommelfingerregel sier at det bør være en kuldebrobryter på

minimum 100mm isolasjonsmateriale, se detaljtegningen til høyre.

Detaljtegning som viser prinsippet for å bryte kuldebro i overgangen dekke - vegg.

Illustrasjonen viser kuldebrobryter bestående av 70mm mineralull + 50mm

trykkfast isolasjon foran dekket. Se Byggforskseriens byggdetaljblad 471.015.

Styring og kontroll for å samkjøre passive og aktive systemer for å unngå

unødig kjøle- og oppvarmingsbehov er en utfordring i dimensjonering av

varme-, kjøle- og ventilasjonsanlegg. God styring og samkjøring av

systemene i driftsfasen er essensielt for at de aktive og passive tiltakene

skal jobbe med hverandre og ikke mot hverandre. Dette er primært en

utfordring for RIV og driftspersonalet som har ansvar for den daglige drift

gjennom byggets levetid.

5


Termisk masse – byggherre

For byggherre er det viktig å være oppmerksom på følgende momenter i forbindelse med eksponert termisk masse i bygninger:

• Kjennskap til prinsippet for utnyttelse av termisk masse gjør at det kan etterspørres hos de prosjekterende. Bedre bestillerkompetanse!

• Lavere energiforbruk gjennom utnyttelse av termisk masse gjør det lettere å imøtekomme nye og strengere forskriftskrav

• Lavere energiforbruk er ensbetydende med redusert miljøbelastning. Miljøimage for bygning og byggeier/leier!

• Færre eller mindre tekniske installasjoner til oppvarming, kjøling og ventilasjon

• Lavere investerings- og driftskostnader som følge av færre/mindre tekniske installasjoner i tillegg til mindre plassbehov for installasjoner (areal og volum)

• Fravær av nedforede himlinger kan være et inneklimatiltak i seg selv da støv og smuss deponeres oppå slike himlinger

• Bedre inneklima gjennom riktig design og implementering av passive tiltak, deriblant utnyttelse av termisk masse

• Mulighetene for ulike estetiske uttrykk på overflatene til den eksponerte termiske massen (forskalingsavtrykk, tilslag, farge, osv)

• Alle disse momentene er gode argumenter i salg og utleie situasjoner.

Termisk masse – arkitekt

For arkitekten er det viktig å ha følgende momenter i mente når det skal prosjekteres med eksponert termisk masse:

• Den termiske massen må være eksponert mot rommet (himling eller vegg)

• Den termiske massen må ligge innenfor isolasjonssjiktet for å kunne fungere som et termisk reservoar i forhold til døgnsyklusen

• Den termiske massen må kunne kjøles ned nattestid gjennom å ventilere bort den magasinerte overskuddsvarmen. Dette kan gjøres mekanisk eller

naturlig. Et annet alternativ er å sirkulere kaldt vann i rør innstøpt i den termiske massen.

• Det er de ytterste 5-10cm i den termiske massen mot rommet som kan aktiveres som termisk reservoar i samsvar med døgnsyklusen

• Planlegge for naturlig gjennomstrømning av luft gjennom bygget med lite trykktap dersom naturlig ventilasjon skal utnyttes

• Effektiv solavskjerming bør inngå som del av det passive designet for å redusere risikoen for overoppheting

• Utnyttelse av dagslys for å redusere internlasten fra elektrisk belysning. Høyt plasserte vinduer gir best dagslys lengre inn i planen.

• Romakustikk, implementering av absorbenter uten at den termiske massen kortsluttes

• Bygningsdetaljer som ikke gir kuldebroer. Fokuser spesielt på overgangene mellom dekke-vegg, grunnmur-vegg, tak-vegg samt rundt dører og vinduer

• Overflatestruktur og estetisk uttrykk til den eksponerte termiske massen (forskalingsavtrykk, farge på betong og tegl, osv.)

6


Termisk masse – rådgivende ingeniører

For rådgivende ingeniør (RIV og RIB) er det viktig å ha følgende momenter i mente når det skal prosjekteres med eksponert termisk masse:

• Samkjøring av passive og aktive strategier er svært viktig for at de aktive og passive tiltakene skal jobbe med hverandre og ikke mot hverandre

• Innkjøring av bygningens styringssystem i driftsfase for optimal drift gjennom byggets levetid

• Implementere rutiner for kontinuerlig tilstandskontroll (continous commissioning)

• Færre og mindre tekniske installasjoner gjør det lettere å få plass til og integrere installasjonene i bygningen

• Behovsstyring av elektrisk belysning for å redusere elektrisitetsforbruk og internlast (tilstedeværelse og dagslysnivå)

• Effektiv solavskjerming bør inngå som del av det passive designet for å redusere risikoen for overoppheting

• Romakustikk, implementering av absorbenter uten at den termiske massen kortsluttes

• Kuldebrofrie detaljer og løsninger

• Det er de ytterste 5-10cm i den termiske massen mot rommet som kan aktiveres som termisk reservoar over døgnsyklusen

• Årstidstilpasset ventilasjon som utnytter fordelene med naturlig- og mekanisk ventilasjon (trykktap, lav SFP)

• Vurdere potensialet for fortrengningsventilasjon for å få godt inneklima med lave luftmengder (stratifisering, god takhøyde)

• Utnyttelse av eksponert termisk masse i inntakskulvert, kulvert, murte kanaler og sjakter for forkjøling/forvarming av ventilasjonsluft

• Bruk av plasstøpte løsninger gir større frihet for utsparringer og gjennomganger, innstøping av rør for sirkulering av vann (frikjøling), endrede

bæreretninger, og fravær av underliggende konstruksjoner

• Lettere å imøtekomme nye og strengere forskriftskrav til energibruk ved å utnytte eksponert termisk masse i bygningens klimatiseringsstrategi

7


8

Utarbeidet av SINTEF Byggforsk for byggutengrenser.no

More magazines by this user
Similar magazines