Beräkning av U-värde och köldbryggor med Comsol

4.3 Beräkning av U-värde och köldbryggor med Comsol

4.3.1 Om programmet Comsol Multiphysics

Comsol grundades 1996 i Stockholm och har under åren utvecklat Comsol Multiphysics. Programmet hette tidigare FEMLAB och kan användas för att beräkna allt från hållfasthet, kemiteknik,

elektromagnetism och akustik till värmeflöden. Beräkningar som görs i simuleringsprogrammet baseras på finita elementmetoden. Det som gör att Comsol Multiphysics utmärker sig från många av sina konkurrenter är möjligheten att ändra beräkningsmodellen i programmet manuellt. Vid beräkning av värmeflöde genom en byggnadsdel kan användaren välja material från ett bibliotek eller skapa och definiera skikten själv. Omgivningens förhållanden matas också in, bland annat omgivningens temperatur och konstruktionens värmeövergångsmotstånd på insidan samt utsidan. I Comsol

Multiphysics kan också köldbryggor beräknas. Resultatet av värmeflödet redovisas med ett färgglatt temperaturfördelningsdiagram.

4.3.2 Köldbryggor

En köldbrygga innebär att isoleringen i en konstruktionsdel har brutits på något sätt och orsakar extra transmissioner jämfört med en obruten isolering. Den högre värmetransporten genom köldbryggan kan leda till kalla invändiga ytor, som leder till högre energianvändning, sämre komfort, kondensrisk som kan leda till mögeltillväxt och att smuts samlas vid köldbryggan på grund av diffusion. Det finns två olika typer av köldbryggor, geometrisk samt konstruktiv köldbrygga.

Geometrisk

Geometriska köldbryggor finns i fogar mellan byggnadsdelar på grund av deras geometri. Exempel på denna typ av köldbrygga är utåtgående hörn i ytterväggar, anslutningar mellan yttervägg och

bottenbjälklag och dörr- och fönstersmygar. Vid nya byggnader är geometriska köldbryggor vanligen så små att den kan försummas.

Konstruktiv

En konstruktiv köldbrygga uppstår då en byggnadsdel helt eller delvis bryter genom en värmeisolering och försämrar klimatskärmens värmeisoleringsförmåga. Som exempel kan nämnas anslutning mellan betongbjälklag och yttervägg, utkragade balkongplattor, och reglar i regelväggar. Konstruktiva köldbryggor kan ha stor betydelse och brukar därför beaktas i beräkningar. Av den anledningen kommer det att undersökas om det finns stora köldbryggor och skillnaderna mellan dessa i den jämförelse som görs mellan de olika byggmetoderna i Comsol.

4.3.3 Indata

Förenklingar

När beräkningar görs i Comsol behöver vissa förenklingar göras. Utgångspunkten är en ritning av den konstruktion som skall beräknas. Först definieras ett beräkningsområde. Sedan görs ett snitt ur konstruktionen och oftast väljs området inom ett cc-mått i konstruktionen för att få ett resultat så nära det faktiska värdet som möjligt. Fiktiva linjer där geometri och temperatur är symmetriska ritas ut där snitten görs. Värmeflödet passerar aldrig denna fiktiva linje och fördelen med det är att endast en beräkning behöver göras på snittet istället för hela konstruktionen. Om symmetrilinjer saknas kan avgränsningar göras minst 1 m från köldbryggans mitt. Om en ventilerad luftspalt finns i

konstruktionsdelen som värmeflödet skall beräknas för används en ekvivalent värmekonduktivitet för att motståndet hos spalten och fasadmaterialet skall blir korrekt.

Ritning

En ritning på den konstruktions som skall beräknas behövs. Ritningen kan direkt göras i programmet eller importeras från till exempel ritningsprogrammet AutoCad. Om ritningen görs i programmet skall nollpunkten vara i origo. Områdena för alla olika material ritas upp. När ritningen görs kan rutnätet som kan justeras och ställas in vara till hjälp. Alla väggar ritas 1,2 meter för att det skall vara symmetri i väggarna.

41

Materialegenskaper

Områdenas materialegenskaper skall definieras. Det finns flera alternativ. Det ena alternativet är att skapa nya material och definiera alla nödvändiga värden för dessa. De värden som behöver definieras för att få så korrekta utdata som möjligt är bland annat materialens värmemotstånd, värmekapacitet, värmekonduktivitet och densitet. Det är också möjligt att välja material från fördefinierade listor och då är alla materialegenskaper redan valda. I beräkningarna som gjorts i Comsol har samma indata som i avsnitt 4.1.5 använts för materialen.

Randvillkor

Randvillkoren för materialen, det vill säga egenskaperna för materialens gränslinjer skall anges. Här matas värdena för ytövergångskoefficienterna in, vilket motsvarar värmeövergångsmotstånden Rsi = 0.04 m²K/W och Rse = 0.13 m²K/W. Omgivningens temperatur väljs också. Temperaturen inne sätts till 20˚C och utetemperaturen sätts till 0˚C. I Figur 23 kan Comsols användargränssnitt studeras och ett exempel på hur ett konstruktionssnitt definieras.

Figur 23. Användargränssnitt i Comsol

4.3.4 Resultat

De totala värmeflödena beräknas av programmet. För att kunna få fram läckflödeskoefficienten görs först en simulering av klimatskalet utan köldbrygga, det vill säga endast ytterväggen. Sedan görs även en simulering på den köldbrygga som skall beräknas, i detta fall anslutningen mellan yttervägg och bjälklag. Värmeflödestätheten för väggen kan beräknas med hjälp av värmeflödet genom att den divideras med randlängden. Ritningarna som gjorts i Comsol har alla en randlängd på 1,2 meter. För beräkning av U-värdet divideras sedan värmeflödestätheten med temperaturdifferensen mellan ute och inne. Temperaturdifferensen är valt till 20˚C. För att bestämma läckflödeskoefficienten för

köldbryggan beräknas differensen mellan de båda värmeflödena för väggen både med och utan köldbrygga och divideras sedan med temperaturdifferensen. Formeln för läckflödeskoefficienten visas i ekv. (8). tot,med tot,utam

ψ= -

ΔT

 

42

Resultaten från beräkningarna ovan redovisas i Tabell 2. Resultatet från beräkningarna visar att värmeflödet genom betongväggen är mycket högre än för trästommarna. Det beror dels på att betong har en hög värmeledningsförmåga och för att båda trästommeväggarna har en större mängd isolering jämfört med betongväggen. Det går dock att åstadkomma ett lägre U-värde för betongväggen genom att öka isoleringens tjocklek. U-värdet (värmegenomgångskoefficienten) för alla ytterväggarna beräknat i Comsol stämmer mycket bra överens med den utförda handberäkningen. För att kunna göra en snabb jämförelse har det handberäknade U-värdet också skrivits in i Tabell 2.

Tabell 2. Resultat för U-värde och köldbryggor

När iterationsprocessen är klar visar programmet en bild av temperaturfördelningen i konstruktionen. Figurerna visar med en färgskala temperaturen i alla materialen av konstruktionsdelen. I skalan visar den mörkaste röda färgen temperaturen för inneklimatet som tidigare nämnts valts till 20˚C. I andra änden av skalan, den mörkaste blåa färgen har vi utetemperaturen som satts till 0˚C i beräkningarna. Färgskalan och temperaturfördelningen för alla anslutningar redovisas i Figur 24 -Figur 26. En snabb överblick visar var köldbryggorna finns i figurerna.

43

Figur 25. Martinsons