För att kunna bilda sig en uppfattning om energiåtgången i byggnader krävs det att energibalansberäkningar utförs. För att beräkningarna ska ge ett resultat som är rättvisande krävs det att indata är korrekt och att erfarenhet/kunskapen hos utförarna är stor. Energiberäkningar baseras på fysiska lagar gällande termodynamik och energi. Att beräkna detta manuellt för en byggnad är oftast mycket komplext och tidskrävande, därför används vanligen någon form av beräkningsprogram som framtagits för energiberäkning av byggnader.
3.3.1 Energibalans
Enligt fysiska lagar är energi oföränderligt och kan inte försvinna, enbart omvandlas i olika former. Energi kan däremot föras bort från områden där den önskas vara. Detta leder till ”energiförluster”, även om energin fortfarande finns bevarad men omvandlat i en annan form på en annan plats.
Energibalanser kan därför endast beräknas för en area med tydligt definierade gränser. För uppvärmning och luftkonditionering i byggnader är den intressanta arean den uppvärmda eller kylda rumsvolymen. I en energibalans räknas samtliga energiflöden innanför den definierade gränsen med. För byggnaders energibalans har det visat sig vara lämpligt att definiera gränsen vid klimatskalets utsida (Pokorny, Zelger, & Torghele, 2009).
Uppvärmningens och luftkonditioneringens uppgift är nu att hålla temperaturen innanför klimatskalet konstant. Om vi studerar ett värmeflöde som går igenom klimatskalet och över gränsen för balansberäkningen, t.ex. varm luft som avges genom ett fönster, ser vi att den här formen av ”värmeförlust” minskar den interna energin innanför balansarean. Detta medför att temperaturen i byggnaden sjunker och värme måste därmed tillföras till byggnaden för att
Teori
värmeförluster. Uppvärmning är därmed enbart ersättning av värmeförluster (Pokorny, Zelger, & Torghele, 2009).
Uppvärmningen av en byggnad påverkas även av faktorer som solinstrålning via fönster, energitillskott från elektriska apparater och värmetillskott från personer som vistas i huset.
Då energibalansens värmeförluster (huvudsakligen beroende av isoleringen), interna värmekällor och passivt förbrukad solenergi relativt enkelt kan beräknas kan den önskade uppvärmningsenergiåtgången beräknas utifrån energibalansen.
3.3.2 Indata energiberäkningar
Nedan beskrivs övergripande de indata som är relevanta för att kunna utföra energiberäkningar på en byggnad.
Byggnadens lokalisering
Förutom rent byggnadstekniska egenskaper påverkas en byggnads energiförbrukning även av dess placering. Faktorer som läget, lokalklimatet, mikroklimatet, orienteringen, soltillgängligheten, säsongsvariationerna, vegetationen, vinden och byggnadens utformning har därmed mer eller mindre betydelse för energibehovet och tas därför med i energiberäkningar.
(Pettersson, 2008)
Klimatdata och geografiskt läge
För att begränsa mängden data men ändå ge en någorlunda representativ bild av klimatet i Sverige och hur det varierar, är det huvudsakligen redovisade för sju orter i landet från dess södra delar till dess norra. Det bör dock uppmärksammas att klimatet kan variera högst avsevärt mellan dessa orter och övriga delar av landet betingat av både läge i landet och lokala variationer. De sju representativa orterna är Malmö, Göteborg, Kalmar, Västerås, Östersund,
Solavskärmning
Solinstrålning har påverkan på en byggnads energiprofil då solen värmer huset.
Detta innebär också att man måste ta hänsyn till eventuell solavskärmning vid en energiberäkning. Typiska exempel på solavskärmning är närliggande träd, murar eller intilliggande byggnader.
Klimatskal
Klimatskalets konstruktionselement består av - Ytterväggar
- Tak - Golv
För de tre ovannämnda är information om de ingående byggnadsmaterialens U-värde, värmekonduktivitet, specifika värmekapacitet och densitet av betydelse i energiberäkningar. Utöver detta måste man ta hänsyn till köldbryggor och infiltration i klimatskalet samt grundegenskaper för materialet under och utanför byggnadens klimatskal.
Fönster och dess egenskaper har stor påverkan på en byggnads energiförbrukning. Tre parametrar som är viktiga att beakta vid energiberäkningar är fönstertypen, hela fönstrets U-värde (glas inklusive karm) samt glasets solenergitransmittans.
Installationer
Vid en energiberäkning måste hänsyn tas till installationer som påverkar byggnadens energiprestanda. Typiska exempel på installationer att beakta vid en energiberäkning är:
- Värmesystem - Kylsystem - Ventilation
Teori
Internlaster Belysning
All form av belysning förbrukar och avger värme i större eller mindre utsträckning. Antalet ljuskällor och dess effekt är ingående parametrar i en energiberäkning.
Personer
Antalet personer som är närvarande i huset måste tas med i en energiberäkning.
Aktivitetsnivå och mängd kläder för de närvarande personerna definierar hur mycket energi varje person avger. Aktivitetsnivån anges i met-nivå (metabolic equivalent), där 1 met motsvarar 58,2 W per m2 kroppsyta, vilket är mängden för vad en sittande inaktiv person antas avge (EQUA Simulation AB, 2009).
Mängden kläder har stor påverkan på en persons upplevda termiska komfort det har även påverkan på hur mycket värme en person avger. Mängden kläder anges i clo-värde, där 1 clo motsvarar ett värmemotstånd på 0.155 m2K/W (EQUA Simulation AB, 2009).
Utrustning
Alla former av elektriska utrustningar så som datorer, tv-apparater, vitvaror, hushållsmaskiner m.m. förbrukar elektrisk energi och avger värme. Dessa typer av utrustning är därför en viktig parameter att ta med i energiberäkningar.
3.3.3 Osäkerhet
Det finns ofta stora skillnader mellan beräknat energibehov och uppmätt energibehov. Även fast avancerade energiberäkningsprogram används finns ett flertal källor till att beräkningsresultatet inte kan betraktas som helt säkra. Det är många olika faktorer som spelar in på energiförbrukningen i ett hus. Husets utformning och placering, vart geografiskt i landet huset är placerat, vilken
De tre främsta orsakerna till osäkerhet i energibalansberäkningar är:
Osäkerhet i indata – det är omöjligt att exakt veta alla förutsättningar och exakta indata.
Energiflöden – förenklade modeller används i beräkningsprogram Verkliga förhållanden – anpassningar görs alltid av användaren 3.4 Strategi för energioptimering
En väl genomarbetad planering av energieffektiva byggnader är av stor vikt för att uppnå goda resultat. Grundförutsättningarna för att kunna höja en byggnads energiprestanda är att utforma klimatskalet och byggnaden i sin helhet på ett sådant sätt att den tillsammans med övriga installationer och apparater begränsar energibehovet (Pettersson, 2008). Detta kan uppnås genom:
- Värmeisolering av klimatskalet - Lufttäthet hos klimatskalet - Optimering av ventilation
- Optimering av värmeproduktion och värmedistribution - Effektiv värmeanvändning
- Effektiv elanvändning
En strategi att följa, i som ligger i linje med ovanstående, kan illustreras med Kyoto-pyramiden där man utgår nedifrån och jobbar uppåt.
Teori
1. Minska energiförluster – genom att säkerställa god isolering och lufttäthet
2. Minska elanvändningen till belysning och installationer – genom att ta hänsyn till energiförbrukningen hos motorer, utrustning, belysning, stand-by förluster etc.
3. Utnyttja solenergi – genom planering av byggnadens orientering och fönsterplacering samt se över möjligheter för solfångare och solpaneler 4. Kontroll av energianvändningen – beräkna, visa och reglera
energiförbrukningen
5. Välja effektiv energiförsörjning – välja värmesystem (fjärrvärme, biobränsle, värmepump, grön el.) utefter vad som lämpar sig bäst för byggnaden
Ytterligare en strategi för energioptimering är förslaget i den nationella strategin för nära nollenergibyggnader (NNE-byggnader), där en rekommenderad prioriteringsordning att utgå ifrån vi planering av lågenergihus tagits fram. Prioriteringsordningen bör i enlighet med direktivet om byggnaders energiprestanda (EPBD2) vara:
1. Mycket energieffektivt klimatskal 2. Mycket energieffektiva installationer
3. En stor andel av den energi som behövs ska vara förnybar
Med de tre ovannämnda strategierna för energioptimering säkerställs först att byggnadernas energibehov blir lågt därefter väljs energitillförselssystem. Detta leder till att byggnadens energianvändning blir mindre påverkad av valet av energibärare och energiförsörjningens betydelse för byggnaden minskar, därmed uppnås större grad av flexibilitet med avseende på teknikval och energikälla. (Statens energimyndighet, 2010)
För att kunna genomföra en energioptimering av en byggnad krävs det att man har en tydlig uppfattning om utgångsläget. I nästkommande kapitel beräknas energiprestandan för det typhus som valt att studeras i denhär studien. Detta för att sedan kunna analysera energiåtgången och optimera typhusets
4 EXPERIMENT
I det här kapitlet beskrivs förutsättningar och indata för experimentstudien.
Först simuleras typhuset i grundutförande sedan utvecklas typhuset stegvis för att höja dess energiprestanda, efter vart utvecklingssteg simuleras typhuset på nytt. I slutet av kapitlet redovisas ett sammanfattat simuleringsresultat.
För att ge en uppfattning om den energin som åtgår i typhuset genomförs inledningsvis en energisimulering av typhuset i grundutförande. Typhuset simuleras sedan ytterligare tre gånger med alternativ utformning som bidrar till att höja husets energiprestanda.
4.1 Experimentbeskrivning
På marknaden i Sverige idag finns ett flertal beräknings- och simuleringsprogram för att beräkna en byggnads energiprestanda. Nedan räknas några vanligt förekommande program upp:
BSim 2000 BV2
Derob-LTH Enorm 2004 IDA ICE
Konsumentverkets ”Huset”, Vattenfalls ”Huset”
Riuska VIP+
Experiment
För den typ av experiment som utförs i denna studie bör ett dynamiskt beräkningsprogram med timvis beräkning användas. Beräkningsverktyget IDA Indoor Climate and Energy (IDA ICE) klarar av detta och är det enda programmet som kan simulera inomhusklimat, därför har detta program valts att användas i denna studie.
IDA ICE
IDA ICE är ett dynamiskt multizons simuleringsverktyg för noggrann analys av det termiska inomhusklimatet av individuella zoner så väl som energikonsumtionen för en hel byggnad (EQUA Simulation AB, 2009).
Simuleringsprogrammet bygger på ekvationsbaserad modellering och använder sig av modelleringsspråket Modelica, som är ett objektorienterat, multidomäns modelleringsspråk för komponentorienterad modellering av komplexa system.
Neutral Model Format (NMF) (EQUA Simulation AB, 2009).
4.2 Energisimulering av typhus i grundutförande 4.2.1 Grundläggande indata
Typhuset är ett enfamiljshus i södra Sverige. Det är byggt i ett plan med 5 rum och kök och en boarea på 115m2.
Husets konfiguration är hämtad från verkliga ritningar och tekniska beskrivningar. Medan presenters de indata har använts för den inledande energianalysen av typhuset.
Inledningsvis importerats en planskiss för typhuset till programmet.
Experiment
Husets byggnadsgeometri modelleras därefter upp i 2D-vy utifrån den importerade ritningen. I det första steget ritas byggnadskroppen (Building Body)för typhuset upp. Byggnadskroppen ritas upp så att byggnadsgränsen (Building border) ansluter till ritningens inre yta av väggarna. I fallet för typhuset används två byggnadskroppar då takets utformning ser olika ut för olika delar, en byggnadskropp för den del av huset som har en takhöjd på 2,5m och en byggnadskropp för den del av huset som har ryggåstak.
Golv- och vägghöjder anges för byggnadskroppen. Golvhöjden sätts till 0 för hela byggnaden. Vägghöjden för byggnadskropp 1 sätts till 2,5m och för byggnadskropp 2 till 4,4m .
Figur 10: Sektionsritning för typhus
Konfiguration av de ingående byggnadsdelarna
Sammansättningen av de ingående konstruktionselementen beskrivs och värdena för de olika ingående materialens egenskaper matas in. För de ingående materialen matas dess fysikaliska egenskaper in i programmet, följande fyra parametrar är av intresse: tjocklek (m), värmekonduktivitet (W/m
* K), densitet (kg/m3) och specifikvärmekapacitet (J/kg * K).
Inmatning av utgångsvärden/indata Väggar
Tabell 5: Indata för ytterväggskonstruktion
Ingående lager
Luftspalt 28 Luftningsläkt – cc600 mm 28x70 mm
Gipsskiva 9 0.22 900 800 Utegips
Isoleringsskikt 195 0.0438 52 853 = 45/600*0.14+555/600*0.036 = 0.0438
Träregelverk 0.14 500 1500 Stående regelverk - cc 600 mm 195x45
Mineralull 0.036 16 800
Ångspärr 0.2
Isoleringsskikt 45 0.0438 52 853 = 45/600*0.14+555/600*0.036 = 0.0438
Träregelverk 0.14 500 1500 Liggande regelverk - cc 600 mm 45x45
Mineralull 0.036 16 800
Gipsskiva 13 0.22 900 800
U-värde: 0.1693 W/(m2*K)
Tjocklek: 0.284m (inkl luftspalt 0.312m) Innerväggar
Då huset enbart består av en zon har inga innerväggar tagits ritats in i modellen. Innerväggarna har däremot tagits med i beräkningarna som internmassa som återfinns i avsnittet internlaster i detta kapitel.
Tak
Tabell 6: Indata för takkonstruktion ryggåstak
Ingående lager
Experiment
Tabell 7: Indata för takkonstruktion lågdel
Ingående lager
Lösullsisolering 500 0.042 15 800 Isover Insul Safe
Takstol Underarm takstol kapillärbrytande skikt av makadam, värmeisoleringslager av 300mm cellplast och därpå betongplatta.
Figur 11: Principsektion betongplatta
Tabell 8: Indata för grundkonstruktion
Golvbeklädnad Trägolv/klinker ej medtaget i beräkningar
Betongplatta 150 1.7 2300 880 Med ingjuten golvvärme
Isolering 300 0.052 92 982 Cellplast mm kryssfaner/HDF som är förstärkt med stabiliserande aluminiumplåtar. För ytterdörr och sidofönster sammantaget antas ett U-värde på 1,6 utifrån diskussion med konstruktör.
Integrerade fönsteravskärmningar Inga fönsteravskärmningar finns på huset.
Zonindelning
Huset är avsett för boende och samma verksamhet bedrivs i hela byggnaden detta betyder att innertemperaturen och den termiska komfort som önskas är samma för husets alla utrymmen. Huset har därför valts att modelleras i endast en zon.
Egenskaper för zonen ställs in. Internlaster så som termisk massa för innerväggar, möbler och inredning matas in i programmet.
Inomhustemperaturen sätts till 20-24°C.
Experiment
Internlaster Belysning
Belysningen i huset sätts till 10 enheter à 60W med aktivering enligt följande belysningsschema:
Tabell 9: Belysningsschema
Period Aktiverad
50% 100%
1 okt – 30 april
Vardagar 7-9; 17-23
Helgdagar 8-23
1 maj – 30 sept
Vardagar 7-9; 17-23
Helgdagar 8-23
Boende
Boende i huset sätts till 4 personer som är närvarande enligt schemat för boende enligt följande:
Tabell 10: Närvaroschema för boende
Period Närvaro
50% 100%
Året runt
Inredning
Tabell 11: Energiförbrukande inredningar i huset
Enhet Genomsnittlig
effekt (W)
Genomsnittlig
användning kWh/år
Kyl (Miele K 12820 S ded)
Frys (Miele FN 12827 Sed)
~57W 8760 timmar/år 500
Diskmaskin (Miele G 1022 Scu) Ugn (Miele H 4112 B)
Micro (Miele M 8160-2) Fläkt (Miele utdragbar DA 3160) Häll (Miele induktionshäll 5940) Tvättmaskin (Miele W 1612) Torktumlare (Miele T 7644 C)
~913 W 6 tim/dag 2000
Samtliga vitvaror är av energiklass A Intern termisk massa
Insättning av fönster och invändiga öppningar
Insättning av fönster och dörrar med dess storlek och position görs utifrån ritningar.
I huset används fönster av fabrikatet Westcoast Windows. Alla fönster är i
Experiment
Fönstrens glaskombination är:
- 4 mm lågenergiglas - 12 mm argon - 4 mm klarglas - 12 mm argon - 4 mm lågenergiglas
Samtliga fönster har dagsljustransmittans (G) 0,71 och solenergitransmittans (T) 0,5.
Tabell 12: Fönsteruppställning
Benämning Fönstertyp Bredd x Höjd Energifönster U-värde
F1 F FKG 785 x 1285 Klass C 0.85
F2 Ö TSG 180 785 x 1285 Klass C 1.1
F3 Ö TSG 180 985 x 1285 Klass C 1.1
F4 Ö TSG 45 1385 x 485 Klass C 1.1
F5 F FKG 985 x 1285 Klass C 0.85
F6 F FKG 985 x 1285 Klass C 0.85
F7 Ö TSG 45 1385 x 485 Klass C 1.1
F8 F FKG 985 x 2085 Klass C 0.85
F9 F FKG 985 x 2085 Klass C 0.85
F10 F FKG 985 x 1285 Klass C 0.85
F11 Ö TSG 180 1785 x 585 Klass C 1.1
F12 Ö TSG 180 985 x 1285 Klass C 1.1
F13 Ö TSG 180 1185 x 585 Klass C 1.1
FD1 FDG 985 x 2085 Klass D 1.2
FD2 FDG 985 x 2085 Klass D 1.2
Figur 12: Bild över fönsterplacering Definiering av plats - skuggningar och orientering
Husets orientering ändras så att så att byggnaden hamnar i rätt position i förhållande till vädersträcken.
Geometrin för skuggande och avskärmande objekt ritas in. Där typhuset är beläget finns inga direkta avskärmningar som skuggar huset och några objekt behöver därmed inte ritas in för simuleringen.
Lokalisering och väder
Lokaliseringen för byggnaden väljs till: Kalmar (Sweden).
Väderdata väljs att hämta från klimatfilen: Kalmar-1968.
Experiment
Infiltration
Vinddrivna infiltrationen. Tryckkoefficienterna för den vinddrivna infiltrationen fylls i automatiskt då AIVC sätts till ”Semi-exposed” för byggnaden.
Köldbryggor
Värdena för köldbryggor matas in i beräkningsprogrammet enligt följande.
Tabell 13: Köldbryggor
Yttervägg / Mellanbjälklag 0.05 W/K/(m*anslutning)
Yttervägg / Innervägg 0.03 W/K/(m*anslutning) Yttervägg / Yttervägg 0.08 W/K/(m*anslutning) Fönsteromkrets 0.03 W/K/(m*omkrets)
Dörromkrets 0.03 W/K/(m*omkrets)
Tak / Yttervägg 0.09 W/K/(m*anslutning)
Grundplatta / Yttervägg 0.14 W/K/(m*anslutning)
Grund egenskaper
Grundegenskaperna för marken under och utanför byggnaden matas in i beräkningsprogrammet.
- Ground model väljs till: ICE 3
- Grundegenskaperna sätts till: ”Default soil”
Systemdistributionsförluster
Extra energiförluster i form av varmvattenanvändning mats in i beräkningsprogrammet.
- Varmvattenanvändningen sätts till 50 L/boende och dag.
4.2.2 HVAC-system Ventilationssystem
Husets ventilationssystem bygger på mekanisk frånluftsventilation. Principen med mekanisk frånluftsventilation bygger på en central fläkt som ständigt är igång och skapar undertryck i huset. Uteluft kommer in i byggnaden via uteluftsdon/friskluftsintag installerade i klimatskalet. Luften passerar genom dörröppningar i huset till rum med frånluftsdon (kök, WC/duschutrymmen, tvättrum och klädkammare) Undertrycket som frånluftsfläkten skapar säkerställer att luften tar rätt väg in och ut genom huset. Med den här typen av ventilationssystem finns alltså ingen värmeåtervinning på frånluften.
Figur 13: Bilden visar mekanisk frånluftsventilation.
Experiment
Fläktens egenskaper ställs in i beräkningsprogrammet. I energiberäkningen har dessa värden enbart betydelse för att beräkna fläktens elkonsumtion. De inmatade värdena för frånluftsfläkten är följande:
- SFP (Specifik fläkteffekt): 0,9701 kW/(m3/s) - Effekt: 0,184
- Tryck: 178.5 Pa
Tilluftsdon sätts in i modellen i samtliga sovrum samt vardagsrum utifrån ritning.
Värmesystem
Som värmekälla i huset används bergvärme. Värmepumpen som är installerad är av typen IVT Greenline C6. Det är en vätska/vattenvärmepunp som producerar både tappvarmvatten och uppvärmningsenergi.
Värmepumpen konsumerar energi från bergvärme och el och producerar varmvatten med en given temperatur och givet tryck för cirkulation i husets vattenburna värmedistribueringssystem i form av golvvärme. Värmepumpen konsumerar även energi för produktion och pumpning/cirkulation av tappvarmvatten.
Värmeeffekt 5,5kW Tillförd effekt 1,3kW
Värmefaktor 1,3/5,5 = 0,236
4.2.3 Simuleringsresultat av typhuset i grundutförande
I beräkningsprogrammet har typhuset simulerats för att få fram en energiberäkning över ett år.
hänvisas till appendix 1-5 där fullständiga resultatdiagram är bifogade. Detta innebär att de simuleringsresultat vi fokuserar på här är:
- Energibehovet (värmebehovet och behovet av nyttigkyla)
- Primärenergibehovet (för värme, ventilation, varmvatten och hushållsel)
Tabell 14: Simuleringsresultat för typhuset i grundutförande
Husmodell Energibehov Primärenergibehov
[kWh/m2 per år] [kWh/m2 per år]
Typhuset i grundutförande 35,8 98,6
Med de värden simuleringen visar i tabell 14 kan det konstateras att typhuset i grundutförande uppfyller kraven för energihushållning i BBR 16 eftersom energibehovet är lägre än vad som föreskrivs (55kWh/m2 per år).
I övrigt uppfyller huset de tekniska kraven som ställs i BBR 16, beskrivna i kapitel 3.1.
Man kan också konstatera att det är en bra bit kvar till att huset ska kunna möta de internationella passivhuskriterierna både tekniskt och förbrukningsmässigt.