Belysningens väg från el till rumstemperatur
Svein Ruud, Caroline Markusson, Johan Nordén,
Henrik Karlsson, Mikael Lindgren, Patrik Ollas
Energiteknik SP Rapport 2013:56
SP Sve
ri
g
e
s T
ek
ni
s
k
a F
or
s
k
n
ings
ins
ti
tut
Belysningens väg från el till
rumstemperatur
Svein Ruud, Caroline Markusson, Johan Nordén,
Henrik Karlsson, Mikael Lindgren, Patrik Ollas
3
Abstract
The path from electric lighting to room temperature
This study has investigated how much of the electrical energy supplied to different combinations of light sources and luminaires are able to contribute to the heating of various types of dwellings. Furthermore, the energy and cost savings when switching from incandescent and halogen lamps to energy efficient lamps of type LED and CFL have been calculated. The potential for energy savings at the national level in Sweden has also been estimated. The work started with a literature survey and was then followed up by detailed stationary measurements of light and heat radiation from various light sources and luminaires. Also dynamic processes during ignition of various luminaires with different light sources have been studied. A special measurement box was built to study the heat losses from down lights recessed into the roof. The same measurement box was also used to measure the step response and time constant when turning on a lamp. All measurements were used as input data and calibration of a simulation model to calculate energy and cost savings when switching to LED and CFL. A number of calculation cases were developed which partly represented a number of common existing housing types and also represented some different types of low energy buildings.Calculation results of the simulations show that between about 30% to about 85% of the electrical input power to the lighting can contribute to the heating of the dwellings. The lowest utilization is obtained when using down lights with halogen bulbs recessed into the roof. The reason is that a large part of the heat from the lamp disappears through the roof without being able to be utilized for heating of the dwelling. Additionally
concentrated thermal bridges occurs which results in increased heat loss even when the lamp is off. Best utilization is obtained for existing direct electrically heated dwellings that do not have ventilation heat recovery. For well-insulated low-energy buildings with ventilation heat recovery about 50-60% of the electrical input power to the lighting contribute to the heating of the dwelling.
When switching from incandescent and halogen bulbs to LED and CFL lighting the electricity consumption for lighting decreases by about 85 %. As lighting in various degrees contributes to the heating decrease must in equal degree be compensated for by increased heat output from the heating system. Despite this, it is in most cases still very profitable to switch to LED and CFL lamps. The reason is that incandescent and halogen lamps electric heating usually is replaced by less expensive heat from district heating, heat pumps and biomass boilers.
At the Swedish national level is estimated that a complete change from incandescent and halogen bulbs to LED and CFL would lead to a reduction in electricity use of about 2.3 TWh/year and that the supply of other cheaper and less high-grade forms of energy would increase by 1.2 TWh/year.
In summary, in dwellings it always pays to switch from incandescent and halogen bulbs to low-energy lighting. It is most profitable in dwellings heated by district heating, heat pumps or bio-fuel, but also in an older direct electrically heated dwelling, it is still profitable.
Key words: Lighting, LED, energy, room temperature, heat losses SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut
SP Technical Research Institute of Sweden SP Rapport 2013:56
ISBN 978-91-87461-43-9 ISSN 0284-5172
4
Innehållsförteckning
Abstract
3
Innehållsförteckning
4
Förord
6
Sammanfattning
7
1
Inledning
8
2
Syfte och mål
9
3
Kunskapssammanställning
9
3.1 Brukarprofiler 103.1.1 Brukarprofiler för småhus från studien ”400 hushåll” 10
3.1.2 Belysning i vardagsrum 12
3.1.3 Besparingspotential 12
3.1.4 Brukarprofiler 13
3.1.5 Dygnsprofiler från 400 hushåll 13
3.1.6 Jämförelse mellan olika åldersgrupper och
hushållssammansättningar. 17
3.2 Modellering 19
3.3 Testmetoder 20
4
Mätning av ljus- och värmestrålning från armaturer
23
4.1 Provobjekt 23
4.2 Resultat 24
4.2.1 Fotometriska egenskaper vid jämnvikt (steady state) 24
4.2.2 Värmestrålning vid jämnvikt (steady-state) 25
4.2.3 Ljus- och värmestrålningsdiagram 28
4.2.4 Dynamiska egenskaper för olika armaturer med olika ljuskällor 28
4.3 Mätosäkerhet 32
5
Mätning i provbox på takintegrerade spotbelysningar
33
5.1 Mätuppställning 33
5.1.1 Värmeskydd av metall 33
5.1.2 Plastkåpa 34
5.1.3 Provrum och box 34
5.1.4 Referensmätning 35
5.1.5 Mätning av ökad transmissionsförlust vid tänd belysning 36
5.1.6 Utvärdering 37
5.1.7 Resultat 37
5.1.7.1 Takspottar som punktformiga köldbryggor 37
5.1.7.2 Direkt värmeförlust av el till spotbelysning 38
5.1.8 Nomenklatur 38
5.2 Mätning av dynamiskt stegsvar 39
5.3 Mätosäkerhet 39
6
Simulering av energianvändning som funktion av typ av
belysning, värmebehov, värme- och styrsystem
40
6.1 Simuleringsförutsättningar 40
6.1.1 Simuleringsprogram 40
5
6.1.3 Internlastprofiler 43
6.1.4 Byggnadstyper 44
6.1.5 Värmedistribution och –styrning/reglering 45
6.1.6 Klimatdata 46
6.1.7 Avgränsningar och förenklingar 47
6.1.8 Översikt av genomförda simuleringar 47
6.2 Simuleringsresultat för småhus 48
6.2.1 Energianvändning som funktion av belysning, värmebehov,
värmedistribution och styrning 48
6.2.2 Månadsvärden för elvärmda småhus 50
6.2.3 Energikostnad beroende på energiförsörjningssystem 53
6.3 Simuleringsresultat för flerbostadshus 55
6.3.1 Energianvändning som funktion av belysning, värmebehov,
värmedistribution och styrning 55
6.3.2 Energikostnad beroende på energiförsörjningssystem 56
6.4 Bedömd besparingspotential på nationell nivå 58
7
Diskussion och slutsatser
59
6
Förord
Detta projekt har genomförts inom ramen för Energimyndigheten Program för energieffektivisering inom belysningsområdet – etapp 2.
Projektet har genomförts i samarbete mellan enheten för Energiteknik och enheten för Mätteknik på SP Sveriges tekniks Forskningsinstitut.
Författarna vill tacka Per-Göran Persson (Honeywell), Monica Billger (Chalmers) och Anne Andersson (SP) för deras deltagande i referensgruppen.
Vi vill också tacka Kenneth Asp på Energimyndighetens Avdelning för främjande för att han gett oss den förlängning av projektettiden som gjorde det möjligt att genomföra projektet på ett bra sätt. Detta då det på förhand är svårt att veta hur lång tid det tar att göra något man aldrig har gjort tidigare.
Vi vill också tacka våra fantastiska administratörer som alltid ställer upp på kort varsel när det krånglar med programvaror och ordbehandlingsprogam.
7
Sammanfattning
I denna studie har undersökts hur stor del av den elenergi som tillförs olika
kombinationer av ljuskällor och ljusarmaturer som kan bidra till uppvärmningen av olika typer av bostäder. Vidare har energi- och kostnadsbesparing vid byte från glöd- och halogenlampor till energieffektiva lampor av typen LED och CFL beräknats. Potentialen för energibesparing på nationell nivå har också uppskattats. Arbetet inleddes med en litteratursstudie och följdes sedan upp av detaljerade stationära mätningar av ljus- och värmestrålning från olika ljuskällor och armaturer. Även dynamiska förlopp vid tändning av olika armaturer med olika ljuskällor har studerats. En speciell mätbox byggdes upp för att studera värmeförlusterna från takspottar infällda i yttertak. Samma mätbox användes också för att mäta upp ett stegsvar och tidskonstant vid tändning av en lampa. Samtliga mätningar användes som indata och kalibrering av en simuleringsmodell för beräkning av energi- och kostnadsbesparing vid byte till lågenergilampor. Ett antal beräkningsfall togs fram vilka dels representerade ett antal vanligt förekommande befintliga bostadstyper och dels representerade några olika typer av lågenergi-/nära-nollenergibyggnader.
Beräkningsresultaten från simuleringarna visar att mellan ca 30% till ca 85% av den tillförda elenergin till belysning kan bidra till uppvärmningen. Sämst utnyttjande fås vid användning av takspottar med halogenlampor infällda i yttertak. En stor del av lampans värme försvinner då ut via yttertaket utan att kunna nyttiggöras för uppvärmning.
Dessutom uppstår punktformiga köldbryggor som medför ökade värmeförluster även när lampan är släckt. Bäst utnyttjande fås för befintliga direktelvärmda bostäder som saknar värmeåtervinning. För välisolerade lågenergihus med värmeåtervinning kan ca 50-60% av den tillförda elenergin till belysning bidra till uppvärmningen.
Vid byte från glöd- och halogen lampor till lågenergilampor sjunker elanvändningen för belysning med ca 85%. Eftersom belysningen i olika grad bidrar till uppvärmningen så måste bortfallet i motsvarade grad kompenseras med ökad värmeavgivning från värmesystemet. I de flesta fall är det trots detta mycket lönsamt att byta till LED- och CFL-lampor. Orsaken är att glöd- och halogenlampornas elvärme vanligen ersätts med billigare värme från av fjärrvärme, värmepumpar och biobränsle.
På nationell nivå bedöms att ett fullständigt byte från glöd-/halogenlampor i bostäder till lågenergilampor av typen (LED/CFL/T5) skulle leda till en minskad elanvändningen på ca 2,3 TWh/år och att tillförseln av andra billigare och mindre högvärdiga energiformer skulle öka med 1,2 TWh/år.
Sammanfattningsvis lönar det sig alltid att byta från glöd-/halogenbelysning till lågenergibelysning. Lönsammast blir det i hus som värms med fjärrvärme, värmepump eller biobränsle, men även i ett äldre hus som värms med direktel är det fortfarande lönsamt.
8
1
Inledning
Sverige har målet att halvera energianvändningen i byggd miljö till år 2050. För att nå målet behöver nya byggnader konstrueras för kommande nära-nollenergikrav och befintliga byggnader uppgraderas till dagens nybyggnadsstandard. Resultatet blir att värmebehoven drastiskt minskar och att andelen energi för uppvärmning som går via styrda värmesystem ofta blir mindre än den värme som tillförs via personer, belysning, apparater och sol.
Utvecklingen medför en ökad lastfaktor, d.v.s. förhållande mellan dimensionerande effekt och medeleffekt, vilket leder till ett sämre effektutnyttjande. Detta leder också till en ökad behovsfaktor, d.v.s. förhållande mellan använd energi och faktiskt energibehov.
Därigenom ökar också svårighetsgraden för styrsystemen och behovet av decentraliserad styrning, vilket är tvärtemot trenden med luftvärmda passivhus. Dessutom kräver
utvecklingen ett nytänkande för distribution av värme och kyla om inte energin för distribution ska bli orimligt stor i förhållande till den termiska energi som distribueras. I byggnader med små värmebehov för att kompensera uteklimatrelaterade variationer kommer värmetillförseln från verksamhet nästan alltid att resultera i värmeöverskott. Det är en följd av att byggnadens balanstemperatur är mycket lägre med verksamhet än utan. Exempelvis kan person plus apparatlast i vissa fall motsvara > 40 K ändring av
utetemperaturen. En del av värmeöverskottet värmer rumsluften direkt och ventileras bort medan en del lagras i byggnadsstomme och inredning. Fördelningen och dynamiken är komplex och den aktiva lagringsdelen är beroende av värmevågens inträngningsdjup och dämpning. Processerna för hur belysnings- och apparatel påverkar luft- och
yttemperaturer behöver utredas och verifieras experimentellt. Även omfördelningen av värme mellan olika rum genom ledning i väggar, konvektion via dörrar och återföring av värme via ventilationsvärmeväxlare skulle behöva beaktas. En god kunskap om processen för omvandling av el till höjd lufttemperatur är ett viktigt stöd vid utveckling av lämpliga systemkoncept och vid framtagning av dimensioneringsunderlag för flöden och effekter. En kombination av bättre klimatskärm och effektiv värmeåtervinning ger så låga framtida värmebehov så att aktiv kylning kommer att krävas i en stor del av byggnaderna om inte de interna värmelasterna kan minskas. I dagsläget krävs t.ex. kylning i kontorshus under dagtid ända ner till -10 °C och det rapporteras om problem med övertemperaturer i många passiv- och lågenergihus. Med målsättningen att halvera energianvändningen i den svenska bebyggelsen krävs därför både el- och värmeeffektivare bostäder och lokaler genom bättre systemlösningar, bättre dimensioneringsunderlag och bättre styrning. Med ”effektivare” menas här bibehållet eller bättre klimat med mindre energi.
För att dra full nytta av minskade värmebehov genom byggnadstekniska åtgärder måste internlasterna från apparater och belysning minska och de installationstekniska och styrtekniska systemen måste anpassas till den framtida situationen. En allmän
branschuppfattning är att en stor del av kommande effektiviseringar kommer att ligga på installationssidan. För att utveckla framtidens installationstekniska system behövs en ökad kunskap om:
• Interna och externa lasters dynamik • Balansen mellan interna och externa laster
• Processerna för omvandling av el eller solljus till en förhöjd lufttemperatur • Konsekvenserna för utformning, dimensionering och styrning av de
9
Vi behöver också hantera befintlig kunskap om brukarprofiler och lastprofiler men i många fall även öka denna kunskap för olika byggnadskategorier. Underlaget behövs för att utveckla byggnadsspecifika brukar- och lastprofiler som kan användas för
energiberäkningar och bedömningar av besparingspotential. Det är viktigt att göra synteser av all mätinformation för att utveckla alternativa sätt att beskriva lastprofilerna, t.ex. i form av frekvensfunktioner (dygn), fördelnings-funktioner (år), kovarians mellan person-, belysnings- och apparatlast etc.
I arbetet med lastbeskrivning bör man skilja noga på uteklimatrelaterad last, t.ex. temperatur och sol, och verksamhetsrelaterad last i form av belysning, apparater, personer, varmvattenberedare m.m. Typen av last och på vilken sida av kli-maskärmen den alstras har stor betydelse för rumspåverkans effekt, frekvens, varaktighet och koincidens mellan olika interna laster och mellan interna och externa laster. Analysen av lastvariationer har även betydelse för möjligheten att använda prognosstyrning eller framkopplad styrning.
I anslutning till lastanalysen behövs en genomgång av de grundläggande värmeöver-föringsprocesserna på rumsnivå. Konsekvensen av en tillförd effekt beror i hög grad av hur, var och när den tillförs. T.ex. kommer effekten av solinstrålning att resultera i en maximal rumstemperaturhöjning många timmar efter att den maxi-mala instrålningen sker. Motsvarande kan även inträffa för belysning och apparater beroende på hur de är inbyggda och hur de är kylda.
2
Syfte och mål
Projektet syftar till att bedöma hur stor andel av belysningselen som under olika förutsättningar kan nyttiggöras för uppvärmning och hur stor andel som går förlorad. Ett delmål för projektet är att ta fram ny kunskap om hur belysningsel omvandlas till rumsvärme via ledning, lagring, strålning och konvektion.
Ett annat mål är att bedöma potentialen för energieffektivisering såväl på byggnadsnivå som på nationell nivå. På byggnadsnivå är även målet att bedöma den ekonomiska besparingspotentialen beroende på olika förutsättningar.
3
Kunskapssammanställning
Inom projektet ska modellering och experimentellt arbete genomföras för att ta reda på ovan nämnda frågeställningar. Kunskapssammanställningen är uppdelad i två delar. Den första delen behandlar brukarmönster. Dessa brukarmönster används som input i
modellerna. Brukarmönster innefattar både när i tiden belysningen används men också belysningslaster.
Den andra delen berör modeller och testmetoder och behandlar den modellering- och det experimentella arbete som kommer att utföras i projektet.
Framför allt har studien ”End-use metering campaign in 400 households in Sweden, assessment and the potential electricity saving” (Zimmermann 2009) som var en del av Energimyndighetens satsning för förbättrad energistatistik har används i detta projekt för att kunna uppskatta rimliga användarprofiler för belysning i bostäder.
Gällande modellering och testmetoder har en internationell sökning av litteratur genomförts genom att användas databasen Scopus.
10
3.1
Brukarprofiler
Under 2005-2008 pågick projektet ”End-use metering campaign in 400 households in Sweden, assessment and the potential electricity saving” som var en del av
Energimyndighetens satsning för förbättrad energistatistik. Studien gick ut på att mäta/kontrollera elektriska apparaters elanvändning i hushållen. Denna studie används i detta projekt för att kunna uppskatta rimliga användarprofiler för belysning i bostäder. Användarprofiler innefattar belysningens drifttider och eleffekter. Då studien är lite äldre och mycket har hänt med belysningskällor (byte från glödlampor till LED och
lågenergilampor) översätts eleffekter/elanvändningen till belysningen från studien till alternativ effekt och elanvändning för ekvivalent belysning med LED eller
lågenergilampor. Resultatet från litteraturstudien av ”End-use metering campaign in 400 households in Sweden, assessment and the potential electricity saving” kan användas som input i det fortsatta modelleringsarbetet inom detta projekt.
3.1.1
Brukarprofiler för småhus från studien ”400 hushåll”
Mätningarna i studien ”End-use metering campaign in 400 households in Sweden, assessment and the potential electricity saving” pågick från augusti 2005 till december 2008. Målet var att kontrollera alla elektriska apparater, även belysningen, i 400 hushåll. Mätvärden samlades in var 10e minut och:
- elanvändningen till apparater mättes under 1 år i 40 hushåll.
- elanvändningen till apparater i 360 hushåll mättes under 1 månads tid. I studien räknas varje glödlampa/lysrör/spotlight etc. som en belysningskälla oavsett ifall flera är placerade i samma armatur. Tabell 1visar antal ljuskällor fördelat på typ av belysningskälla per hus.
Tabell 1. Medelantal ljuskällor i småhus fördelat på typ av belysningskälla
Belysningskälla antal
Glödlampor 32,2
Lågenergilampor 7,6
Lysrör 6,0
Halogenlampor HV 1,0
Halogenlampor LV (low voltage) 8,4
totalt 55,2
Installerad medeleffekten till belysning i småhus uppgick till 1618 W fördelat på de olika belysningskällorna enligt Tabell 2.
Tabell 2. Fördelning per typ av belysningskälla av total installerad belysningseffekt i småhus
Belysningskälla %
Glödlampor 70,5
Lågenergilampor 4,5
Lysrör 9,5
Halogenlampor HV 4,5
11
Installerad belysningseffekt i småhus är i snitt 13,0 W/m2 fördelat på de olika belysningskällorna enligt Tabell 3.
Tabell 3. Installerad medeleffekt per kvadratmeter uppdelat efter belysningskälla
Belysningskälla Andel
Glödlampor 66%
Lågenergilampor 3%
Lysrör 8%
Halogenlampor HV 14%
Halogenlampor LV (low voltage) 8%
Den årliga elanvändningen till belysning uppgick till 646-937 kWh/år i småhus beroende av hushållssammansättning enligt Tabell 4.
Tabell 4. Elanvändningen till belysning per hushåll beroende av hushållssammansättning och boendetyp
hushållssammansättning Boende kWh/år
Par utan barn <64 år Hus 880
Par utan barn >64 år Hus 646
Familj med barn Hus 937
Par utan barn <64 år Lägenhet 353
Par utan barn >64 år Lägenhet 483
Familj med barn Lägenhet 691
Tabell 5-Tabell 9 visar effektfördelning för de olika belysningskällorna.
Tabell 5. Effektfördelning för glödlampor
Effekt [Watt] Andel [%]
60 17
40 34
25 27
15 12
annan 10
Tabell 6. Effektfördelning för lågenergilampor
Effekt [Watt] Andel [%]
15 7 11 40 9 9 7 20 5 7 4 5 annan 12
12
Tabell 7. Effektfördelning för lysrör
Effekt [Watt] Andel [%]
40 5
36 30
18 50
15 5
annan 10
Tabell 8. Effektfördelning för halogenlampor
Effekt [Watt] Andel [%]
300 11 50 34 40 8 35 19 20 12 annan 16
Tabell 9. Effektfördelning för LV (low voltage) halogenlampor.
Effekt [Watt] Andel [%]
50 8 35 6 20 57 10 23 annan 6
3.1.2
Belysning i vardagsrum
Enligt studien fanns i medel 8,9 ljuskällor och 4,8 strömbrytare i småhusens vardagsrum och den installerade medeleffekten uppgick till 262 W. I snitt är elanvändningen till belysning i ett vardagsrum i småhus 150 kWh/år. I alla de undersöka hushållen (småhus och lägenheter) fördelar sig belysningen i vardagsrum på de olika belysningskällorna (antal) enligt Tabell 10.
Tabell 10. Fördelning av typ av belysningskälla (antal).
Belysningskälla % av antal
Glödlampor 75,8
Lågenergilampor 11,7
Lysrör 0,8
Halogen 1,7
Halogen LV (low voltage) 10
3.1.3
Besparingspotential
För att få relevanta brukarprofiler måste effektskillnaden vid byte av glödlampa till annan ekvivalent belysning uppskattas. Tillverkardata ger en effektminskning vid byte av glödlampa till LED eller lågenergilampa på ca 80-90 % och vid byte av glödlampa mot halogenlampa på ca 20 %. Då studien genomfördes hade inte förbudet mot att sälja
13
glödlampor trätt i kraft. Endast ca 10 % av besparingspotentialen hade därför utnyttjats när studien genomfördes. Vid byte till mer effektiva ljuskällor som lågenergilampor eller LED-lampor bedöms utifrån ovanstående att besparingspotentialen är 300 – 800 kWh/år per hushåll beroende på hushållets sammansättning .
3.1.4
Brukarprofiler
I studien finns brukarprofiler för småhus med olika hushållssammansättning (antal boende och ålder). Dessutom finns en effektprofil för användningen av belysning över året baserat på de hushåll där mätningar pågått under ett helt år.
Figur 1. Säsongsfaktor för belysning (Zimmermann 2009).
Figur 1 visar hur belysningseffekten varierar över året. Säsongsfaktorn är beräknad utifrån mätningar i de 40 hushåll där datainsamling skedde under ett helt år. För varje hushåll har veckokonsumtionen lagts samman, vilket således gav 52 värden per hushåll. Genomsnittsvärdet för dessa 52 veckor normaliserades därefter till 1 och ett
genomsnittligt värde per vecka beräknades. Figur 1 är beräknad utifrån dessa värden. Under årets ljusaste veckor används i snitt ca 60 % av årsmedelvärdet av el till belysning. Kring årsskiftet används i snitt 60 - 80 % mer belysningseffekt än årsmedel.
3.1.5
Dygnsprofiler från 400 hushåll
Toppeffekten för belysning inträffar för småhus mellan 20:00 och 22:00 då den ökar från i snitt 135 W till 300 W. Hur dygnsprofilen för använd belysningseffekt skiljer sig beroende på hushållets sammansättning där familjer använder den högsta toppeffekten för belysning. Hur belysningseffekten varierar över dygnet för olika typer av hushåll för vardagar och helgdagar visas i Figur 2-Figur 9 (Zimmermann 2009).
14
Figur 2. Effektbehov för belysning under ett helgdygn för ett småhus med ett par i åldrarna 26-64 år utan barn
Figur 3. Effektbehov för belysning under ett vardagsdygn för ett småhus med ett par i åldrarna 26-64 år utan barn
15
Figur 4. Effektbehov för belysning under ett helgdygn för ett småhus med en boende där personen är över 64 år
Figur 5. Effektbehov för belysning under ett vardagsdygn för ett småhus med en boende där personen är över 64 år
16
Figur 6. Effektbehov för belysning under ett helgdygn för ett småhus med ett par över 64 år
17
Figur 8. Effektbehov för belysning under ett helgdygn för ett småhus med en familj
Figur 9. Effektbehov för belysning under ett vardagsdygn för ett småhus med en familj
3.1.6
Jämförelse mellan olika åldersgrupper och
hushållssammansättningar.
Figur 10 och Figur 11 visar hur dygnsprofilen för belysningseffekten varierar med hushållsammansättningen och åldern på de boende.
18
Figur 10. Dygnsprofil för belysningseffekten för hushåll under 65 år för vardagar respektive helgdagar
Figur 11. Dygnsprofil för belysningseffekten för hushåll över 65 år för vardagar respektive helgdagar
För par eller singlar över 64 ser brukarprofilen ungefär likadan ut oberoende av helg- eller vardag. För par under 64 år och familjer blir en tydlig skillnad mellan vardag och helgdag. På vardagarna syns en topp runt 7 på morgonen för dessa båda
19
ungefär samtidigt på kvällen. Överlag använder familjer mest energi till belysning, i jämförelse med par under 64 beror detta främst på en mer hög, jämn belysningseffekt under dagtid. Även toppeffekten på morgonen är lägre för par under 64 jämfört med familj. Lägst elanvändning till belysning har singlar över 64. Belysningsmönstret för par över 64 följer den som för singlar över 64 men är överlag högre. Tabell 11visar den summerade energianvändningen över ett dygn för de olika hushållssammansättningarna.
Tabell 11. Energianvändning per dygn för olika typer av hushåll
Hushållsammansättning kWh/dygn
Familjer veckodag 3,1
Familjer helgdag 3,4
Par utan barn <64 år veckodag 2,6
Par utan barn <64 år helgdag 2,6
Par utan barn >64 år veckodag 2,0
Par utan barn >64 år helgdag 1,9
Singlar >64 år veckodag 1,2
Singlar >64 år helgdag 1,1
3.2
Modellering
Sammanställningen nedan avser att täcka de senaste och de mest relevanta referenserna. Den avser inte att vara heltäckande.
(Chung and Loveday 1998) beskriver en numerisk modell av värmetransporten från belysningsarmatur till rummet. Värmetransporten sker genom konvektion, ledning och strålning. Ledning och konvektion anses överföra värme till rummet momentant.
Strålningsvärmen däremot absorberas först av väggar och möbler vilket leder till en ökad yttemperatur hos dessa. Detta leder till en värmeöverföring till rummet, men den sker med en viss eftersläpning. Den faktiska värmetransporten från belysning till rummet kommer att bero på ett flertal faktorer, såsom hur ofta ljuset tänds och släcks, rummets geometri, material i rummet, möbler, ventilation mm.
Modellen är dynamisk och är byggd för ett typiskt kontorsrum, med en infälld takarmatur med ett ventilerat utrymme ovanför innertaket, se typen ”recessed” i referens
(Chantrasrisalai and Fisher 2007) nedan. Modellen består av tre delar, armaturen, takutrymmet och rummet. Varje del är indelad i flera noder. Varje nod är isoterm. Väggar, golv och tak anses som isoterma och representeras av varsin nod, se Figur 12. Lampa och armatur är egentligen inte isoterma menför att hålla nere mängden noder och komplexiteten i beräkningarna anses de vara isoterma.
För varje nod beräknas energibalansen:
𝑚
𝑏∙ 𝑐
𝑝𝑏∙ ∆𝑇
𝑏= 𝑞
𝐺𝑏+ 𝑞
𝐿𝑏+ 𝑞
𝑆𝑏+ 𝑞
𝐻𝑏+ 𝑞
𝐶𝑏 därmi = massan för nod i
cpi = specifik värmekapacitet för nod i
ΔTi = Temperaturförändring hos nod i under ett tidssteg
qGi = Totalt tillförd elenergi till nod i under ett tidssteg
qLi = Totalt netto tillförd värme via långvågig strålning till nod i under ett tidssteg
qSi = Totalt netto tillförd värme via kortvågig strålning till nod i under ett tidssteg
qHi = Totalt netto tillförd värme via konvektion till nod i under ett tidssteg
20
Figur 12. Modell för beräkning av värmetransporten från en infälld belysningsarmatur
Elförbrukning och ljusutbyte beror på driftförhållanden och därför kan man enligt författarna inte använda märkeffekten som indata. Istället bör man använda en modell för lampan eller empiriska data. Synfaktorer beräknades från programmen VF och FACTS. I artikeln ges ekvationerna för att beräkna långvågig och kortvågig strålning, konvektion och ledning. Modellen valideras sedan mot ett program kallat LIGHTS (Sowell 1989) samt tester utförde i en testkammare hos NIST, National Institute of Standards and Technology i USA. Ett valideringsfall är att belysningen tänds och får vara tänd under 36 h. Under hela perioden är temperaturerna i modellen inom 1 K från uppmätta värden. Lampan når upp till sin jämviktstemperatur inom de första två timmarna. Maximalt kylbehov uppnås först efter 24 h.
3.3
Testmetoder
(Chantrasrisalai and Fisher 2007) och (Chantrasrisalai and Fisher 2007) beskriver provuppställning och resultaten från provningarna. För proven byggs ett testrum upp där ventilationsflöde och rumstemperatur kan styras. Energin som avges från armaturerna mäts upp i form av långvågig och kortvågig strålning samt konvektion. Det är inte tydligt uttalat i artiklarna men ledning ser ut att negligeras. Det står angivet att denna varit mindre än 5 % av inkommande elektrisk energi för testerna. Strålningen mäts med en radiometer, konvektionen beräknas sedan genom att subtrahera strålningseffekten från inkommande elektrisk energi.
Inverkan av olika typer av armaturer samt lufttemperatur, ventilationsflöde, golvtyp etc. studeras. De armaturer som studeras är mer typiska för kontor. Fyra olika diskuteras men det är armaturer av typen infällda armaturer (recessed) och takspottar (downlights), se Figur 13, som mätningarna utförs på. Dessa sitter monterade i ett innertak med ett
21
ventilerat utrymme ovanför. Resultaten presenteras genom att ange den procentuella värmeavgivningen till rummet respektive takutrymmet. Värmeavgivningen till rummet fördelas sedan på långvågig strålning, kortvågig strålning samt konvektion.
22
Mätningar utfördes på sex olika infällda armaturer. 44-72 % av inkommande eleffekt kommer rummet tillgodo. Resterande energi går upp i takutrymmet. Av den energi som kommer rummet tillgodo fördelar sig ca 20 % på kortvågig strålning, 10-22 % på långvågig strålning och 12-33 % på konvektion.
Fyra ”downlights” utvärderades på samma sätt och där kom 14-79 % av energin rummet tillgodo. 10-71 % som kortvågig strålning, 4-10 % som långvågig strålning och 0-1 % som konvektion. Den extremt låga andelen konvektiv värmeavgivning är iögonfallande men enligt författarna beror detta på att alla varma delar på lampan finns ovanför taknivå, och att formen på armaturen gör att ventilationsflödet inte ”kommer åt” att föra ut värmen i rummet.
Genom att ta ut frånluften via en kanal genom takutrymmet ökas andelen energi som kommer rummet tillgodo något. Andelen långvågig strålning ökade också, troligen pga. en högre temperatur på armaturen orsakad av försämrad värmeavgivning till
takutrymmet.
Ökat ventilationsflöde leder till att mycket mer energi överförs via konvektion vilket är helt enligt förväntningarna. För en av de infällda armaturerna så ledde ett fyra gånger högre lutflöde till att den konvektiva andelen av värmeavgivningen ökade från 3 % till 54 %. Det ökade flödet leder även till att mer av värmen kommer rummet tillgodo.
Ett prov utfördes även med olika golvmaterial men det hade ingen påverkan på resultaten. En ökning av tilloppstemperaturen på luften reducerar det konvektiva bidraget och ökar den långvågiga strålningen. Fördelningen av värme mellan rum och takutrymme påverkas inte. En ändring av rumstemperaturen från 20° C till ca 25 °C påverkar resultaten väldigt lite.
(Chung and Loveday 1998) utförde även tester för att ytterligare validera modellen beskriven i tidigare avsnitt. Testrummet är litet, mycket mindre än ett normalt rum, se Figur 14 nedan.
23
4
Mätning av ljus- och värmestrålning från
armaturer
Tre olika armaturer med olika ljuskällor har undersökts med avseende på ljus- och värmestrålningsutbyte genom att mäta mängden utstrålat ljus, utstrålad värme samt uppvärmningsförloppet och värmefördelningen i armaturerna. De tre armaturerna representerar olika typer som är vanligt förekommande i svenska hushåll: en nedpendlad armatur med glaskupa, en takmonterad plafond med glaskupa och en infälld spotlight. Ljuskällorna har varit glödlampor, halogenlampor, lågenergilampor av lysrörstyp (CFL) och LED-lampor. Mätningarna har i tillämpliga delar utförts enligt SP-metod 2321. Dels mättes egenskaper vid jämnviksläge (steady state) efter att ljuskällorna varit tända under en längre tid och dels mättes de dynamiska egenskaperna i samband med att ljuskällorna tändes. Resultaten ligger till grund för den modellering av värmeutbytet som görs i avsnitt 6. I det följande ges en sammanfattning av resultaten. Resultaten från dessa mätningar redovisas även i separat rapport (MTk-ETk6209).
4.1
Provobjekt
Mätningar av ljusfördelning och värmestrålning har genomförts på tre olika armaturer, som i sin tur har varit bestyckade med olika ljuskällor enligt Tabell 12.
Tabell 12. Sammanställning av provade armaturer och ljuskällor
Armatur Ljuskälla Beteckning
IKEA PS 701.197.98 Nedpendlad glaskupa 1 × 60 W glödlampa Func 230V 60W K7 PS I1 1 × 11 W CFL Megaman Spiral PS C1 1 × 10.5 W LED-lampa Philips 9290002206 PS L1 IKEA Erbium 401.494.00 Plafond monterad mot dubbel gipsskiva
3 × 25 W glödlampa
Biltema 230-240V Erbium I1-3
3 × 5 W CFL
Osram Duluxstar Mini Twist Erbium C1-3
3 × 4 W LED-lampa
Osram Parathom CL P 25 Erbium L1-3
Markslöjd Downlight 273912
Infälld i gipsskiva med plåtburk som isolering
1 × 35 W Halogen
Swedlux SL17 0836 ALU D H1
1 × 5 W LED-lampa
24
4.2
Resultat
4.2.1
Fotometriska egenskaper vid jämnvikt (steady state)
De fotometriska egenskaperna för de använda ljuskällorna (omonterade) och armaturerna (med de olika ljuskällorna monterade) vid jämnvikt (steady state) framgår i Tabell 13 respektive Tabell 14. Där framgår tydligt att lågenergilampor (CFL) och (LED) är mycket effektivare än äldre lamptyper (glödlampor och halogenlampor), 5-10 gånger effektivare. Dock är inte alltid LED effektivare än CFL. För flera av de provade LED-lamporna är färgtemperaturen också mycket högre (kallare) än för övriga ljuskällor.
Tabell 13. Resultat från fotometriska mätningar på ljuskällor
Ljuskälla Ljusflöde (lm) Effekt (W) Effektivitet (lm/W) Färgåtergivnings-index Ra PS I1 653 59,6 11,0 99 PS C1 706 11,7 60,3 80 PS L1 802 10,1 79,4 80 Erbium I1-3 145/149/155 23,5/24,4/23,9 6,16/6,11/6,50 99 Erbium C1-3 273/272/258 4,8/4,8/4,6 56,8/56,6/56,1 80 Erbium L1-3 148/152/154 4,1/3,9/4,2 36,2/38,9/36,6 80 D H1 164 31,8 5,2 99 D L1 181 5,2 34,8 82
(I = incandescent (glödljus), C = Compact fluorescent lamp (CFL), L = LED, H = Halogenlampa)
Tabell 14. Resultat från fotometriska mätningar på armaturer
A rma tu r L jus fl ö de (l m) V er kni ng s-gr ad (%) Färg -tem p era tu r (K) Spä nni ng (V) S tr öm (mA ) E ffe k t (W) E ffe k ti v it et (l m/ W ) PS I1 651 99,8 2654 230,0 259 59,4 11,0 PS C1 633 89,6 2797 230,3 84 11,6 54,6 PS L1 805 100 2711 230,2 75 10,3 78,2 Erbium I1-3 237 52,8 2514 229,9 312 71,3 3,32 Erbium C1-3 436 54,4 2485 230,2 104 14,5 30,1 Erbium L1-3 267 59,0 3144 230,0 121 12,2 21,9 D H1 121 73,8 2564 230,0 144 32,8 3,69 D L1 194 100 3174 230,1 46 5,2 37,3
25
4.2.2
Värmestrålning vid jämnvikt (steady-state)
Den totalt utsända strålningen mättes för de olika armaturerna med en detektor känslig även för IR-strålning upp till cirka 10 µm våglängd. Dessa resultat användes för att i avsnitt 6 modellera värmestrålningen i rummet. I Tabell 15 (sid 25-27) redovisas
resultaten för den nedpendlade armaturen (PS), plafonden (Erbium) respektive takspotten (Downlight). Observera att 0° motsvarar rakt nedåt.
Tabell 15. Mätriktning och resultat från mätning av värmestrålning från armaturer
Armatur Ljus-källa Avstånd (mm) Mät-riktning Irradians (W/m2) Intensitet (W/sr) Värme-strålning (W) Anmärk-ning PS Glöd 1000 0° 6,47 6,47 40,8 30° 5,53 5,53 60° 1,82 1,82 90° 3,16 3,16 120° 3,95 3,95 150° 2,29 2,29 180° 0,63 0,63 CFL 800 0° 0,55 0,35 1,62 30° 0,39 0,25 60° 0,00 0,00 90° 0,16 0,10 120° 0,39 0,25 150° 0,08 0,05 180° 0,00 0,00 LED 800 0° 0,63 0,40 1,78 30° 0,39 0,25 60° 0,16 0,10 90° 0,00 0,00 120° 0,39 0,25 150° 0,24 0,15 180° 0,16 0,10
26
Tabell 15. Mätriktning och resultat från mätning av värmestrålning från armaturer
Armatur Ljus-källa Avstånd (mm) Mät-riktning Irradians (W/m2) Intensitet (W/sr) Värme-strålning (W) Anmärk-ning Erbium Glöd 500 0° 23,21 5,80 43,7 30° 18,08 4,52 60° 16,58 4,14 90° 28,97 7,24 120° 0,00 0,00 150° 0,00 0,00 180° 0,00 0,00 CFL 500 0° 4,58 1,14 8,40 30° 4,18 1,05 60° 3,63 0,91 90° 4,82 1,20 120° 0,00 0,00 150° 0,00 0,00 180° 0,00 0,00 LED 500 0° 3,71 0,93 6,63 30° 3,55 0,89 60° 3,00 0,75 90° 3,55 0,89 120° 0,00 0,00 150° 0,00 0,00 180° 0,00 0,00
27
Tabell 15. Mätriktning och resultat från mätning av värmestrålning från armaturer
Armatur Ljus-källa Avstånd (mm) Mät-riktning Irradians (W/m2) Intensitet (W/sr) Värme-strålning (W) Anmärk-ning Down-light Halo gen 500 0° 108,15 27,04 24,2 15° 0,00 17,16 Interpolerat 30° 29,13 7,28 45° 0,00 4,63 Interpolerat 60° 7,89 1,97 75° 2,21 0,55 90° 0,00 0,00 115° 0,00 0,00 120° 0,00 0,00 135° 0,00 0,00 150° 0,00 0,00 165° 0,00 0,00 180° 0,00 0,00 LED 500 0° 12,55 3,14 3,07 15° 0,00 1,90 Interpolerat 30° 2,68 0,67 45° 0,00 0,57 Interpolerat 60° 1,89 0,47 75° 0,39 0,10 90° 0,00 0,00 115° 0,00 0,00 120° 0,00 0,00 135° 0,00 0,00 150° 0,00 0,00 165° 0,00 0,00 180° 0,00 0,00
28 0 1 2 3 4 5 6 7 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 PS I1 Intensitet (W sr-1) 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 PS L1 Ljusstyrka (cd)
4.2.3
Ljus- och värmestrålningsdiagram
För armaturerna har också beräknats strålningsdiagram för ljus- och värmefördelningen. Nedan redovisas några exempel på ljus- och värmestrålningsdiagram. Där framgår att när den nedpendlade armaturen är utrustad med en LED-lampa en något jämnare och starkare belysning nedåt. Däremot ger LED-lampan mycket mindre ljus till sidan och snett uppåt. När det gäller värmestrålningen så är den framför allt avsevärt mycket lägre för LED-lampan. För övriga armaturer fås lite annorlunda utseende på diagramen men skillnaderna mellan lågenergilampor och äldre lamptyper kvarstår. Samtliga diagram redovisas i separat rapport MTk-ETk6209, Appendix
2.
4.2.4
Dynamiska egenskaper för olika armaturer med olika
ljuskällor
Uppvärmningsförloppet för armaturerna registrerades genom att armaturerna filmades med en IR-kamera under uppvärmningen, en tidsrymd av cirka 45 min. Starttiden var hela
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0 180,0 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 PS I1 Ljusstyrka (cd) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 PS L1 Intensitet (W sr-1)
29
tiden 15 s efter filmens början. I Figur15, Figur 17 och Figur 19 visas typiskt utseende för de olika armaturerna 3, 10 respektive 20 minuter efter start.
Uppvärmningsförloppet kan studeras för valfri punkt som syns i bilden genom att en mätpunkt placeras ut i bilden. Som exempel visas uppvärmningsförloppet i några typiska punkter i Figur 16, Figur 18 och Figur 20.
3 min 10 min 20 min
PS I 1 PS C 1 PS L 1
Figur 15. Uppmätt värmefördelning och uppvärmningsförlopp för armatur PS med tre olika ljuskällor
Figur 16. Mätpunkt och uppvärmningsförlopp för armatur PS med tre olika ljuskällor
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 0 10 20 30 40 50 T em p er at u r ( °C) Tid (min) Armatur PS Glöd CFL LED
30
3 min 10 min 20 min
E rbi um I 1 -3 E rbi um C 1 -3 Er b iu m L1 -3
Figur 17. Uppmätt värmefördelning och uppvärmningsförlopp för armatur Erbium med tre olika ljuskällor
Figur 18. Mätpunkt och uppvärmningsförlopp för armatur Erbium med tre olika ljuskällor
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 0 10 20 30 40 50 T em p er at u r ( °C) Tid (min) Armatur Erbium Glöd CFL LED
31
3 min 10 min 20 min
D H
1
D L
1
Figur 19. Uppmätt värmefördelning och uppvärmningsförlopp för armatur Downlight med två olika ljuskällor
Figur 20. Mätpunkt och uppvärmningsförlopp för armatur Downlight med två olika ljuskällor
20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 T em p er at u r ( °C) Tid (min) Armatur Downlight Glöd LED
32
För att fastställa den verkliga temperaturen hos objekten mättes yttemperaturen vid respektive films slut med en anliggningstermometer på några signifikanta positioner, se Tabell 16.
Tabell 16. Mätposition och resultat från temperaturmätningar på armaturer
Armatur Mätposition Sluttemperatur
(°C) Anmärkning
PS
Högt upp på sidan av kupan I: -
C: 29,1 L: 27,4 Erbium Centrum av glaskupan I: 33,4 C: 24,7 L: 25,4 På gipsskivans yta just utanför
glaskupan I: 28,6 C: 23,5 L: 23,1 Downlight På skyddsglasets yta H: 123 L: 51,9 På metallramen H: 59,5 L: 35,5 På gipsskivans yta vid sidan av
armaturen
H: 38,8 L: 30,3 På skyddsburkens sida, cirka 20
mm från gipsskivan H: 35,2 L: 27,6
4.3
Mätosäkerhet
Ljusstyrka: ±5 % Ljusflöde: ±5 % Värmestrålning: ±5 % Spänning: ±0,5 VAC Avstånd: ±5 mm33
5
Mätning i provbox på takintegrerade
spotbelysningar
5.1
Mätuppställning
En provbox huvudsakligen byggd av XPS-skivor byggdes i en tempererad kammare, där en konstant temperatur kring 5 °C hölls. I boxen installerades olika i tur och ordning olika belysningskällor i form av infällda spotlights. Taket byggdes för att efterlikna ett isolerat vindsbjälklag och bestod av en takgipsskiva med glespanel och diffusionstät plast, som sedan täcktes av olika mängder lössullsisolering.
Mätningen av transmissionsförlusterna från ljuskällorna gjordes för tre olika belysningskonfigurationer och tre olika tjocklekar på takisoleringen. De olika graderna av isolering representerade allt från 60-talshus till moderna NNE-byggnader och syftet var därmed att undersöka hur transmissionsförlusterna varierar med olika belysningskällor och isoleringstjocklekar. Detta ger en total mätuppställning enligt Tabell 17.
Tabell 17. Mätuppställning för provning av transmissionsförluster
Isoleringstjocklek
Belysningskälla 10 cm 25 cm 50 cm
Halogenlampa (35 W) och ”plåtburk” X X X
LED-lampa (5 W) och ”plåtburk” X X X
LED-lampa (3,5 W1) och plastkåpa X X X
5.1.1
Värmeskydd av metall
I fallet med halogen- och LED-lampan (5 W) användes ett värmeskydd för att förhindra brand i bjälklagsisoleringen enligt återförsäljarens rekommendationer. Figur 21 visar monteringen av värmeskyddet mot gipsskivan. Vid mätningarna monterades den därför innanför ångspärren med hjälp av diffusionstät plast för att så långt som möjligt efterlikna verklig montering. Lamparmaturen fästes därefter i gipsskivan under värmeskydd av metall.
Figur 21. Värmeskydd för isoleringen
34
5.1.2
Plastkåpa
Vid mätningarna med LED-lampan på 3,5 W1 så användes en annan princip för att förebygga brandrisken i isoleringen, nämligen en plastkåpa som kan ses i Figur 22 och Figur 23. Även i det här fallet monterades kåpan innanför fuktspärren direkt mot gipsskivan.
Figur 22. Plastkåpans montering för 3,5 W LED-lampan, före montering av den diffusionstäta plasten
Figur 23. Plastkåpans montering efter montering av den diffusionstäta plasten
5.1.3
Provrum och box
En provbox enligt Figur 24 och Figur 25 byggdes upp med hjälp av 50 mm XPS-cellplast med tre väggar, golv, tak och en dörr. Innermåtten för golvet i boxen var 1x2 m och takhöjden 2,4 m. Taket täcktes sedan med lösull för att simulera de olika byggnadstyperna och deras isoleringsgrad på bjälklaget. För att reglera temperaturen i boxen användes ett elfoliegolv med reglerbar effekt.
35
Kontinuerlig loggning och mätning av yt- och omgivningstempertur gjordes var 30:e sekund i boxen och rummet med hjälp av Pt100-givare och termoelement som placerades ut enligt Figu23 och Figur 4 (röda prickarna). Dessa mätvärden medelvärdesbildades därefter först för box respektive rum i varje tidssteg och därefter för en tvåtimmarsperiod för att få ut ett medelvärde för hela mätperioden, 𝑇𝑏𝑏𝑏 respektive 𝑇𝑟𝑟𝑟. Varje datainsamling föranleddes av en stabiliseringsperiod för att försäkra att inga temperaturdivergenser förekom.
För att förhindra att omgivningstemperaturen i boxen skiktade sig användes en bordsfläkt som placerades på golvet vid dörren och riktades snett upp mot motsatt gavelsida. I och med att den också bidrog till att tillföra boxen värme så mättes dess effekt också upp och beaktades i utvärderingen, Qfläkt.
Figur 25. Genomskärningsritning från vy A-A i Fel! Hittar inte referenskälla.
5.1.4
Referensmätning
Referensmätningen genomfördes med släckt belysning (Qbelysning = Ql = 0) och 100 % av
den tillförda värmen (från fläkt och golvvärmen) bidrog därför till uppvärmningen av boxen. Genom detta kunde boxens värmeförlusttal (W/K) bestämmas. Eftersom att lådan är helt oventilerad så kan alla förluster härledas till transmissionsförluster. Referensmätningen gav då ett mått på hur mycket golvvärmeeffekt (och i det här fallet även fläkteffekt) som måste tillföras boxen för att uppnå en viss omgivningstemperatur i förhållande till rumstemperaturen.
36
Figur 26. Referensmätning med släckt belysning
5.1.5
Mätning av ökad transmissionsförlust vid tänd belysning
För att mäta transmissionsförlusterna så tändes belysningen och golvvärmeeffekten reglerades på så sätt att temperaturerna i boxen var densamma som i referensmätningen ovan (under antagandet att temperaturen i det omgivande rummet var konstant). Ledningsförlusterna från belysningen kan då beräknas med hjälp av ekvation 1 nedan (under antagandet att värmetillskottet från fläkten är densamma i de båda fallen – 𝑄𝑓𝑏ä𝑘𝑘𝑟𝑏𝑓𝑏𝑟𝑏𝑏𝑏= 𝑄𝑓𝑏ä𝑘𝑘∗ ) där värmeffekterna i de båda fallen jämförs och differensen mellan dem utgörs av tillskottet från belysningen till den interna lasten i boxen.
𝑄
𝑏∗= 𝑄
𝑏𝑏𝑟𝑏𝑓𝑏𝑟𝑏𝑏𝑏+ 𝑄
𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑟𝑏𝑓𝑏𝑟𝑏𝑏𝑏− 𝑄
𝑏𝑏∗− 𝑄
𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏∗(1)
Figur 27. Mätning av transmissionsförlusterna vid tänd belysning
𝑄𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 = 0 𝑊 → 𝑄𝑏 = 0 𝑊 𝑇𝑟𝑟𝑟~4°𝐶 𝑄𝑓𝑏ä𝑘𝑘𝑟𝑏𝑓𝑏𝑟𝑏𝑏𝑏 ≠ 0 𝑄𝑏𝑏𝑟𝑏𝑓𝑏𝑟𝑏𝑏𝑏(𝑊) 𝑇𝑏𝑏𝑏𝑟𝑏𝑓𝑏𝑟𝑏𝑏𝑏~22,5°𝐶 𝑇𝑏𝑏𝑏∗ ~22,5°𝐶 𝑄𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏∗ ≠ 0 𝑊 𝑄𝑏∗≠ 0 𝑊 𝑇𝑟𝑟𝑟~4°𝐶 𝑄𝑓𝑏ä𝑘𝑘∗ ≠ 0 𝑄𝑏𝑏∗(𝑊)
37
5.1.6
Utvärdering
Värmeförlusttalet, VFT, visar på förlusterna genom boxens skal (W/K) och beräknades med hjälp av data från referensmätningen (släckt belysning) enligt ekvation 2.
𝑉𝐹𝑇𝑏 =�𝑄𝑏𝑒𝑙𝑦𝑠𝑛𝑖𝑛𝑔+𝑄𝑓𝑙ä𝑘𝑡+ 𝑄𝑒𝑙
𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠�
𝑇𝑏𝑜𝑥𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠
(2)
där x anger vilken mätuppställning som avses, se Tabell 18 nedan.
Genom
𝑄
𝑏∗ från ekvation 1 kan man med hjälp av uppmätt belysningseffekt ange hur stor andel som omvandlas till transmissionsförluster och därmed bidrar till uppvärmning av boxen, se ekvation 3. 𝑄𝑏,𝑏𝑟𝑏𝑏= 𝑄𝑙 ∗ 𝑄𝑏𝑒𝑙𝑦𝑠𝑛𝑖𝑛𝑔∗ (3)5.1.7
Resultat
5.1.7.1
Takspottar som punktformiga köldbryggor
Från mätningarna av värmeförlusttalet kan man tydligt se plåtburkens inverkan på transmissionsförlusterna från boxen. Mätningarna 1 och 4 i Tabell 18 är under samma förhållanden – släckt belysning och 10 cm isolering samt en plåtburk monterad för att minska brandrisken. Jämför man de resultaten mot mätningar nummer 7 – släckt belysning, 10 cm isolering och plastkåpa istället för plåtburk så ser man att transmissionsförlusterna har minskat från 5,7 W/K till 5,5 W/K. I det här fallet fungerar alltså plåtburken som en typ av köldbrygga genom bjälklaget. Vidare kan man observera isoleringstjocklekens inverkan på värmeförlusttalet – där en ökad tjocklek innebär lägre förluster, men också att den relativa minskningen avtar med en ökad tjocklek.
Tabell 18. Resultat från mätningarna av värmeförlusttalet för boxen vid olika mätuppställningar
Mätuppställning Värmeförlusttal, VFT (W/K) # Halogenlampa (35 W) och ”plåtburk” 1 10 cm isolering 5,7 2 25 cm isolering 5,3 3 50 cm isolering 5,2 LED-lampa (5 W) och ”plåtburk” 4 10 cm isolering 5,7 5 25 cm isolering - 6 50 cm isolering - LED-lampa (3,5 W) och plastkåpa 7 10 cm isolering 5,5 8 25 cm isolering - 9 50 cm isolering 5,1
38
5.1.7.2
Direkt värmeförlust av el till spotbelysning
Tabell 19 presenterar transmissionsförlusterna från belysningen i absoluta termer och relativt uppmätt belysningseffekt. Mätningarna med halogenlampan (1-3) gav att förlusterna genom plåtburken låg från drygt 20% till drygt 30 % av totalt tillförd effekt från belysningen. I fallen med LED-belysning så får resultaten anses som osäkra eftersom att den uppmätta effektvariationen mellan referens- och förlustmätning var väldigt små och väl inom mätosäkerheten.
Tabell 19. Resultat från mätningarna av transmissionsförluster vid olika mätuppställningar
Mätuppställning Transmissionsförlust 𝑸𝒕𝒓∗ (W) Relativ transmissionsförlust - Qtr/Qbelysning # Halogenlampa (35 W) och ”plåtburk” 1 10 cm isolering 10,5 32 % 2 25 cm isolering 7,9 24 % 3 50 cm isolering 7,6 23 % LED-lampa (5 W) och ”plåtburk” 4 10 cm isolering 2,2 42 % 5 25 cm isolering - - 6 50 cm isolering - -
5.1.8
Nomenklatur
∆Qtot Effektskillnad mellan referens- och transmissionsmätning (W)
∆Qtot, norm
Normaliserad effektskillnad mellan referens- och
transmissionsmätning (W)
∆T Temperaturskillnad mellan mätningar (K)
Qbelysning Belysningseffekt (referensmätning) (W)
Qbelysning * Belysningseffekt (W) Qel * Effekt golvvärme (W) Qel, referens
Referenseffekt på golvvärmen (referensmätning) (W)
Qfläkt Fläkteffekt (referensmätning) (W) Qfläkt * Fläkteffekt (W) Ql Transmissionsförluster (referensmätning) (W) Ql * Transmissionsförluster (W) Qtot,just * Justerat effektbehov (W)
Tbox Medeltemperatur i boxen (°C)
Te Termoelement (°C)
Ti Omgivningstemperatur i boxen (°C)
Trum Medeltemperatur i rummet (°C)
Ty Yttemperatur (°C)
39
5.2
Mätning av dynamiskt stegsvar
Som underlag för att kunna jämföra dynamiken i simuleringsmodellen som användes i avsnitt 6 kompletterades de stationära mätningarna med ett dynamiskt stegsvar. Inför denna mätningen installerades ca 7 m2 dubbla gipsskivor med en total vikt av ca 123 kg mot provboxens väggar. Golvvärme tillfördes en eleffekt på ca 68 W och ungefär stationärt tillstånd inväntades, vilket gav ca 22,3°C i mätboxen vid en temperatur på ca 4,8°C utanför mätboxen.
Takspott med 35 W halogenlampa tändes och temperaturhöjningen i rummet registrerades enligt diagram nedan. Observera att temperaturskalan för omgivande lufttemperatur inte är densamma som för temperaturen inne i mätboxen. Uppmätt eleffekt för halogenlampan var under mätningen 32,6 W. Halogenlampan var under mätningen installerad med värmeskyddande ”plåtburk” enligt leverantörens anvisning och 10 cm isolering användes på mätboxens tak. D.v.s. värmeskyddet var delvis frilagt utan isolering mot omgivningen. Systemets tidskonstant uppmättes till ca 6 h.
Figur 28. Stegsvar i mätbox vid tändning av glödlampa.
5.3
Mätosäkerhet
Lufttemperatur ± 0,5 K
Eleffekt golvvärme ± 2 %
Eleffekt lampor ± 3 % dock ej bättre än 0,2 W
40
6
Simulering av energianvändning som
funktion av typ av belysning, värmebehov,
värme- och styrsystem
För att studera hur belysningsenergin påverkar en byggnads energibalans simulerades olika småhus och flerbostadshus med olika uppvärmningssystem, reglering och belysningssystem.
6.1
Simuleringsförutsättningar
Två typer av belysning simulerades, dels konventionell belysning med glödlampor och halogenlampor och dels mer energieffektiva LED lampor. Som strålningseffekt, elektrisk effekt, ljusflöde osv. användes de värden som uppmätts i kapitel 0. Dessa båda
belysningsalternativ modellerades i för Sverige typiska småhus och flerbostadshus dels från befintligt bestånd och dels NNE-hus.
6.1.1
Simuleringsprogram
Detaljerade dynamiska termiska simuleringar har genomförts med hjälp av en
Simulink/Matlab-baserad beräkningsmodell som är baserad på ”International Building Physics Toolbox in Simulink” (IBPT) (för mer information se www.IBPT.org).
Rumsmodellen beräknar det dynamiska värmevärmeflödet mellan rummets ytor; det vill säga mellan tak, fönster, ytterväggar, innerväggar, golv och radiatorytor (i förekommande fall) under påverkan från värmelaster och väder. Modellen beskriver den dynamiska värmebalansen för rumsluften samt utbytet/fördelningen av värmestrålning (långvågig strålning) och ljus (kortvågig strålning, solljus eller artificiellt ljus) mellan
byggnadsdelarna och värmekällorna inuti rummet. Dynamisk värmeledning och värmelagring i byggnadsdelarna beaktas.
Grunden till den applicerade beräkningsmodellen beskrivs av Sasic Kalagasidis (2004). I de genomförda beräkningarna delas byggnadsdelarnas ytor upp i ett flertal mindre delytor för att simulera fördelningen av värmestrålningen från armaturerna i detalj. Karlsson (2010) utvecklade IBPT-modeller för denna typ av finfördelning i delytor med hänsyn till detaljerad fördelningen av värmestrålning mellan rummets ytor.
I detta projekt har en ny beräkningsmodul utvecklats för armaturerna. Modellens primära uppgift är att fördela eleffekten som åtgår i ljuskällorna som: ledningsförluster, synligt ljus, värmestrålning samt värmekonvektion. Modellen beräknar detaljerat hur
värmestrålningen från armaturerna fördelas över rummets delytor med hjälp av de poldiagram som bestämts empiriskt inom projektet.
6.1.2
Belysningsprofiler
För att få relevanta och jämförbara belysningsfall, samt att beräkna positioner för
respektive belysningsarmatur användes ljusplaneringsprogrammet DIALux. De två fallen som beräknades var nedpendlad armatur i kombination med plafonder och nedpendlad armatur i kombination med takinfällda spotlights.
41
Figur 29. Rum som användes för belysningsberäkningar, ett vardagsrum på 35,6 m2. Fallet som visas på bilden består av fyra spotlights och en nedpendlad armatur.
Resultatet av beräkningarna i kombination med de uppmätta ljusflödena och effekterna i avsnitt 4 resulterade i ett rum med två plafonder och ett rum med fyra spotlights.
Eftersom det uppmätta ljusflödet för armaturerna med glödlampor inte var samma som ljusflödet för armaturerna med LED-lampor normerades ljusflödena och därmed effekterna mot fallet för glödlampan. De normaliserade värden som användes för simuleringarna visas i Tabell 20.
Vid modelleringen av ljuskällorna har för samtliga fall en konvektionsandel på 30 % och en värmestrålningsandel på 70 % antagits baserat på utförda mätningar, se avsnitt 4. Summan av konvektions- och värmestrålningsandel är den eleffekten som bidrar till uppvärmning av rummet (minus effekten av det synliga ljuset). I fallet med infällda halogenspotlights (med skyddskåpa i plåt) har mätningarna i avsnitt 5 visat på en betydande ledningsförlust från denna armatur/skyddskåpa. Baserat på mätningarna antas en ledningsförlust på 25% i simuleringarna. Ledningsförlusten kommer aldrig byggnaden till godo i form av uppvärmning.
Tabell 12 Ljusflöden och elektriska effekter som använts som indata för beräkningarna.
Armatur Ljuskälla Elektrisk effekt (W) Ljusflöde (lm) Normaliserat ljusflöde (lm) Normaliserad effekt (W) Ledningsförlust / Konvektionsandel (%) Pendlad armatur Glödlampa 59,6 651 651 59,6 0 / 30 Pendlad armatur LED 10,1 805 651 8,2 0 / 30 Plafond Glödlampa 71,8 237 237 71,8 0 / 30 Plafond LED 12,2 267 237 10,8 0 / 30 Spotlight Halogen 31,8 121 121 31,8 25 / 30 Spotlight LED 5,2 194 121 3,5 0 / 30
De fyra olika alternativen som användes i energibalansberäkningarna baserat på Tabell 20 visas i Tabell 21. Detta innebär att bytet till lågenergilampor (LED) ger en
effektreduktion på 85-88 % med bibehållet ljusutbyte.
42
Tabell 21. Belysningsscenarion för energibalansberäkningar
Armaturer Ljuskälla Totaleffekt
Pendlad + 2 plafonder Glödlampa 203,2
Pendlad + 4 spotlights Glödlampa + halogen 186,8
Pendlad + 2 plafonder LED 29,9
Pendlad + 4 spotlights LED 22,1
Det bör noteras att belysningseffekten per m2 i vardagsrummet inte är representativ som ett genomsnitt för ett helt småhus eller en hel lägenhet. Från simuleringarna beräknade besparingar i kWh/m2 eller kr/m2 bör därför ungefär halveras för att få ett representativt värde per m2 för ett helt småhus eller en hel villa.
Belysningseffekten varierar över dygnet och över året beroende på tillgången på dagsljus och vilka aktiviteter som utförs. Detta redovisas detaljerat i rapporten ”End-use metering campaign in 400 households in Sweden, assessment and the potential electricity saving” (Zimmermann 2009). Belysningens årsvariation visas i Figur 30.
Som utgångspunkt för belysningens variation under dagen användes data för ”Hus familj 26-64 år vardag” från rapporten. Dess data modifierades för att ta hänsyn till dagens längd över årets och normerades sedan så att årsvariationen överensstämde med Figur 30. På så sätt skapades brukarprofiler för dygnets alla timmar året runt vilka visas i Figur 31.
43
Figur 31. Brukarprofiler för belysningen i husen som modellerats
6.1.3
Internlastprofiler
Internlasten för apparater hämtades också från rapporten ”End-use metering campaign in 400 households in Sweden, assessment and the potential electricity saving”
(Zimmermann 2009). Eftersom det var ett vardagsrum som simulerades valdes “Audiovisual site Hus familj 26-64 år vardag”, som visas i Figur 32.
Figur 32. Internlaster för Audio Visual site Hus Familj 26-64 år vardag.
Rapporten innehåller årsvariationen för dessa internlaster och efter normering med denna variation på samma sätt som för belysningsprofilen i kapitel 6.1.2 erhölls
internlastprofilerna som visas i Figur 33.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 5 10 15 20 N orme ra d b el ys ni ng se ffe kt
Januari
Februari
Mars
April
Maj
Juni
Juli
Augusti
September
Oktober
November
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 N orme ra d p ers on la st44
Figur 33. Internlaster från apparater som använts i energibalansberäkningarna
6.1.4
Byggnadstyper
Två typiska befintliga hus användes vid beräkningarna. Dessa var småhus med lätt stomme och ett flerbostadshus med tung stomme. Dessa motsvaras av befintliga hus från slutet av 1970-talet till ca 2007. Som representanter för framtida nära-nollenergihus togs ett småhus med lätt stomme, ett flerbostadshus med lätt stomme samt ett flerbostadshus med tung stomme. Lätt stomme innebär att mindre värmelagring sker.
Tung stomme i flerbostadhusen avser betongbjälklag i 250 mm med 13 mm parkettgolv. Ytterväggarna är av betongsandwichtyp100 btg – isolering – 50btg (inifrån och ut). Innerväggarna vid alternativet för tung stomme består av 50 mm betong. Vid lätt stomme i alternativet med NNE flerbostadshus så är bjälklagen uppbyggda av 13mm parkettgolv – 20 mm golvspånskiva – isolering – 13 mm gips.
Alla lätta ytterväggar (småhus eller NNE flerbostadshus) är uppbyggda av 13mm gips – isolering – 25 mm utvändig träpanel. Alla lätta innerväggar (småhus eller NNE
flerbostadshus) är uppbyggda av 13 mm gips – 74 mm isolering – 13 mm gips. Samtliga småhus är anlagda på en 100 mm betongplatta med underliggande värmeisolering. Ovanpå betongplattan ligger 13 mm parkettgolv. Husens U-värden visas i Tabell22.
Tabell 22. U-värden för husen i undersökningen. Det ytrelaterade värmeförlusttalet [W/(m2K)] är samtliga transmissionsförluster i rummet (dvs värmeförlusttalet [W/K]) fördelade på golvarean i rummet.
Hustyp U-värde vägg U-värde tak U-värde golv U-värde fönster
Ytrelaterat värmeförlusttal
Småhus lätt 0,28 0,18 0,20 1,20 0,76
Småhus NNE lätt 0,21 0,11 0,13 0,80 0,51 Flerbostad tung 0,28 0,13 Inga förluster 1,50 0,62 Flerbostad NNE tung 0,23 0,13 Inga förluster 0,80 0,41 Flerbostad NNE lätt 0,23 0,13 Inga förluster 0,80 0,41
