Fakulteten för Teknik och samhälle
Gipsbaserade vaxgranulatskivor i passivhus
Effekter på uppvärmningsbehov och övertemperaturer
PCM impregnated plasterboards in passive houses – effects on space heating de-mand and exceeded temperatures
Examensarbete, 15 hp
inom Byggteknik, Byggingenjörsprogrammet
Vt 2013
David Nilsson
Tobias Nordqvist Thulin
Handledare: Simon Siggelsten
2
Förord
Detta examensarbete har utförts under våren och sommaren 2013 som en avslutande del av Byggingenjörsprogrammet på Malmö högskola. Handledare har varit Simon Siggelsten, universitetsadjunkt i Byggteknik vid Malmö högskola. Vi vill passa på att tacka Simon för all hans hjälp och konstruktiva synpunkter.
Malmö 10 juni 2013
3
Sammanfattning
Fler och fler passivhus byggs i Sverige. Med välisolerade hus kan det dock uppkomma problem med höga inomhustemperaturer sommartid. Majoriteten av alla småhus som kan definieras som passivhus byggs idag med lätt stomme av trä. Detta gör att man går miste om den termiska energilagring som sker i en betongstomme. Termisk energilagring i byggnader är fördelaktigt och ger ofta upphov till jämnare inomhustemperaturer och ett lägre uppvärmningsbehov. Genom att montera vaxgranulatskivor på innerväggar och i tak kan även en lätt stomme få betongstommens goda termiska egenskaper. Skivorna kan enligt tillverkare minska uppvärm-ningsbehovet och ge behagligare inomhustemperaturer varma sommardagar. Detta sker genom latent värmelagring i det vaxgranulat som finns i skivan. Vaxgranulat är små kulor innehållande en sorts vax, paraffin. När paraffinet vid en viss temperatur smälter så tas värme ifrån inomhus-luften. Det motsatta inträffar när temperaturen i rummet sjunker, paraffinet återgår då till fast form och värme frigörs till inomhusluften. Vid vilken temperatur paraffinet ändrar fas framgår av smältpunkten och anges av tillverkaren. Två sorter skivor med vaxgranulat har undersökts i arbetet. Båda tillverkas av tyska företaget Knauf och har fasändringstemperaturerna 23 °C respektive 26 °C.
Syftet med detta arbete var att undersöka skivornas termiska egenskaper. Dels hur de påverkar byggnadens uppvärmningsbehov och dels hur de påverkar förekomst av höga inomhustempe-raturer. Detta utförs genom att granska tidigare studier i ämnet och att på egen hand utföra simuleringar i två energisimuleringsprogram. Programmen som används är EnergyPlus och DesignBuilder, där EnergyPlus är själva beräkningsprogrammet och DesignBuilder är en modul och grafiskt hjälpmedel som hanterar all indata. Olika konstruktioner med vaxgranulatskivor simulerades och jämfördes med en konstruktion utan vaxgranulatskivor.
Resultatet från de egna simuleringarna, då vaxgranulatskivor användes, visade på en årlig ener-gibesparing på 4 till11 % med avseende på uppvärmning och en reducering av maximal inom-hustemperatur sommartid på 1-3 °C. Mest effektiv var vaxgranulatskivor med fasändringstem-peratur på 23° C när det kommer till att minska energibesparingen. I de fall då vi tittade på inomhustemperaturer visade sig istället att vaxgranulatskivor med fasändringstemperatur på 26° var mest effektiv.
Skillnaden mellan att använda dubbla skivor jämfört med att bara enkla lager vaxgranulatskivor var i absoluta tal liten men märkbar. Vissa slutsatser går att dra genom att jämföra resultatet med tidigare studier, bland annat att temperaturen måste tillåtas pendla för att skivornas fas-ändringscykler ska fullbordas, vilket är väsentligt för att utnyttja den latent lagrade termiska energin i skivorna.
4
Abstract
The majority of all passive houses in Sweden have a light frame construction. This means that you lose the thermal energy storage that takes place in heavy construction and there may be problems with exceeded temperatures. By mounting PCM (Phase Change Material) impreg-nated plasterboards on interior walls and ceilings, even a light construction will get good ther-mal properties. The boards are said to reduce heating demand and also provide a more comfort-able indoor temperatures.
PCM are small beads containing a kind of paraffin. When the paraffin at a certain temperature melts heat is taken from indoor air. The opposite occurs when the temperature in the room drops, paraffin returns to solid form and releases heat to the indoor air. Two different kinds of PCM plasterboards have been investigated in this work. Both manufactured by the German company Knauf and have a phase change temperature of 23 °C or 26 °C.
The purpose of this work is to investigate the thermal properties of the plasterboards. This is accomplished by reviewing previous studies and preformed our own energy simulation. The programs used are Energy Plus and Design Builder, Energy Plus is the measurement program and the Design Builder is a module and graphical tool that handles all input data. Various con-structions with PCM plasterboards will be simulated and compared with a construction without PCM plasterboards.
The results from our own simulations showed an annual energy savings of 4 to11 % and peak indoor temperatures can be reduces by 1 to 3 °C during five hot days in August. Most effective when it comes to reducing energy was PCM with a phase change temperature of 23 °C. For reducing high temperatures phase change temperature of 26 °C a better choice.
The difference between using double boards compared to just one layer was small but noticea-ble. It was also found that the temperature must be allowed to fluctuate to complete the melting cycle
5
Ordlista
Atemp Defineras av BBR som ytan av samtliga våningsplan som ska
vär-mas upp till mer än 10 °C. Den area som byggnadens specifika energianvändning ska beräknas efter.
BBR Boverkets byggregler.
Hysteres Förhållandet där fasändring av ett ämne inte inträffar i samma spår vid omkastad riktning. Tillexempel att smältpunkt och fryspunkt inte inträffar vid samma temperatur.
Normalperiod Metod för att jämföra klimatuppgifter från år till år. Statistiska vär-den ska beräknas för normalperioder. Den nu gällande standard-normalperioden är 1961-1990.
FTX-system Från- och tilluftsventilation med värmeåtervinning.
FEBY Forum för energieffektiva byggnader. Har tillsammans med bran-schen tagit fram en för Sverige lämplig kravspecifikation för pas-sivhus.
Sveby Står för ”Standardisera och verifiera energiprestanda i byggnader”. Branschorganisation som tar fram hjälpmedel för att säkerställa processen från programkrav till verifierat resultat.
PCM Phase Change Material. Fasändringsmaterial. Material som absor-berar och avger energi genom fasändringar.
PHI Passivhaus Institut, tyskt oberoende forskningsinstitut för utveckl-ing av passivhuskonsceptet. Har tagit fram internationella passiv-huskriterier.
TRNSYS Datorsimuleringsprogram för energiberäkningar. Programmet är vanligt förekommande i tidigare studier.
Undergrund Den naturliga marken under en byggnad.
U-värde Värmegenomgångskoefficient. Beskriver hur god isolerförmåga ett material eller en konstruktion har.
Värmekapacitet Ett materials värmekapacitet är den värmemängd som behövs för att höja materialets temperatur en grad.
6
Innehållsförteckning
1 Bakgrund ... 8
1.1 Problemformulering ... 8
1.2 Syfte och frågeställning... 9
1.3 Avgränsningar ... 9
1.4 Metod ... 10
1.4.1 Litteraturstudie ... 10
1.4.2 Datorsimulering ... 10
1.4.3 Resultat ... 11
1.4.4 Analys och slutsatser ... 11
1.5 Förväntat resultat ... 11
2 Teori ... 12
2.1 Passivhus ... 12
2.2 Termisk energilagring och värmekapacitet I byggnader ... 12
2.2.1 Sensibel värmelagring ... 13
2.2.2 Latent värmelagring ... 13
2.2.3 Kemisk värmelagring ... 14
2.3 Termisk energilagring med vaxgranulatskivor ... 14
2.3.1 Bakgrund och beskrivning ... 14
2.3.2 Egenskaper ... 15 2.4 Termisk komfort... 16 2.4.1 Lufttemperatur ... 16 2.4.2 Operativ temperatur ... 16 2.4.3 Övertemperturer ... 17 2.5 Dimensionerande temperaturer ... 17
2.5.1 Dimensionerande innelufttemperatur, DIT ... 17
2.5.2 Dimensionerande vinterutetemperatur, DVUT ... 17
2.6 Byggnadens energibalans ... 18
2.6.1 Byggnadens uppvärmningsbehov ... 18
2.6.2 Övriga poster ... 19
3 Tidigare studier och undersökningar ... 21
3.1 Energiförbrukning och uppvärmningsbehov ... 21
3.2 Övertemperaturer och inomhusklimat... 22
4 Simulering i EnergyPlus och DesignBuilder ... 24
4.1 Simuleringsprogram ... 24
4.1.1 DesignBuilder - reliabilitet och validitet ... 24
4.1.2 EnergyPlus - reliabilitet och validitet ... 24
4.1 Felkällor ... 25
4.1.1 Konstant densitet ... 25
4.1.2 Specifik värmekapacitet ... 25
4.1.3 Hysteres ... 25
7
4.2 Beskrivning av referensmodellen ... 26
4.3 Referensmodellens konstruktion och uppbyggnad ... 26
4.4 Indata, förutsättningar och placering... 29
4.4.1 Klimat, klimatdata och lokalisering ... 29
4.4.2 Dimensionerande temperaturer ... 30
4.4.3 Ventilation och värmeåtervinning ... 30
4.4.4 Solavskärmningsfaktor ... 30
4.4.5 Vädring och reglerförluster ... 31
4.4.6 Luftläckage ... 31 4.4.7 Solvärmereduktion ... 31 4.4.8 Internt värmetillskott ... 31 4.4.9 Vädring sommartid ... 31 4.4.10 Indata – vaxgranulatskivor ... 31 4.5 Utförande... 32 5 Resultat ... 34 5.1 Uppvärmningsbehov ... 34
5.1.1 Enkla lager vaxgranulatskivor ... 34
5.1.2 Dubbla lager vaxgranulatskivor ... 36
5.1.3 Placering och energibesparing per kg PCM ... 38
5.2 Övertemperaturer ... 39
5.2.1 Enkla lager vaxgranulatskivor ... 39
5.2.2 Dubbla lager vaxgranulatskivor ... 40
5.2.3 Jämförelse mellan dubbla och enkla lager vaxgranulatskivor... 42
5.2.4 Placering ... 43
6 Analys och diskussion ... 44
6.1 Anlays med avseende på uppvärmningsbehov ... 44
6.2 Analys med avseende på övertemperatur ... 44
6.3 Fasändringstemperaturens inverkan på resultatet ... 45
6.4 Vaxgranulatmängdens inverkan på resultatet ... 46
6.5 Placeringens inverkan på resultatet ... 46
7 Slutsatser och fortsatt arbete ... 48
7.1 Slutsatser ... 48
7.2 Fortsatt arbete ... 49
8 Referenser ... 50
8
1 Bakgrund
Nybyggnation av energisnåla småhus ökar sakta men säkert i Sverige. Energisnåla och därmed välisolerade hus kan under sommarmånaderna ge problem med höga inomhustemperaturer (Granmar, 2011: Larsen, 2011). Detta är speciellt vanligt om man använder sig av en lätt stomme som konstruktion då en sådan har dålig värmekapacitet. Olika material har varierande förmåga att motverka plötsliga temperatursvängningar i luften. Hur god denna förmåga är beror på materialets värmekapacitet. Betong har betydligt högre värmekapacitet än trä och motverkar därför temperatursvängningar bättre (Sandin, 2010).
Problemet med övertemperaturer kommer sannolikt att öka med de klimatförändringar som sker idag. FN:s klimatpanel spår ökade utomhustemperaturer och längre värmeböljor sommartid (IPCC, 2007) och enligt Boverket (2007) så kommer kylbehov i svenska byggnader bli större i framtiden. Därför bör möjliga åtgärder undersökas.
Ungefär 25 % av Sveriges totala energiproduktion anses gå till uppvärmning och ventilation av byggnader (Sandin, 2010). Att ständigt hitta nya energismarta lösningar och metoder är därför alltid intressant. Att lagra energi i byggnadsdelar kan vara en sådan lösning. Enligt en studie av Bellamy och Mckenzie (2003) så kan energilagring i en tung stomme approximativt minska energiåtgången för uppvärmning med 7 %.
Det är dock sällan ett passivhus byggs med tung stomme, nackdelarna väger över. Ett passivhus med betongstomme skulle exempelvis få opraktiskt tjocka ytterväggar då isoleringen måste ligga utanpå den bärande stommen, till skillnad från en lätt trästomme där isoleringen istället ligger mellan träreglarna. (Andrén & Tirén, 2010) Detta medför att man går miste om den ener-gibesparingen som man enligt Bellamys och Mckenzies studie skulle kunna få genom att bygga med betong.
Metoder finns att binda termisk energi även i en lätt konstruktion. En metod är att använda ett så kallat fasändringsmaterial, inkorporerat i någon sorts byggnadsmaterial. Fasändringsmaterial benämns ofta PCM som är den engelska förkortningen för phase change material som översatt till svenska blir fasändringsmaterial. Ett fasändringsmaterial tar upp värmeenergi när det går från fast till flytande och vid övergången från flytande till fast blir effekten motsatt, det vill säga att värme återges till rumsluften. Ett exempel på en sådan kommersiell produkt är gipsbaserade vaxgranulatskivor.
1.1 Problemformulering
Det har de senaste åren gjorts en hel del undersökningar och studier av skivornas termiska egenskaper, hur de påverkar på uppvärmningsbehov och inomhusklimat. Flera rapporter visar på minskade övertemperaturer och minskad energiåtgång för uppvärmning. Många studier hanterar dessvärre inte både uppvärmningsbehov och övertemperaturer, utan fokuserar endast på en av dessa. I Sverige har vi dock ett sådant klimat som gör att man gärna vill ha skivornas förmåga att reducera övertemperaturer sommartid samtidigt som man vintertid vill minska byggnadens uppvärmningsbehov.
9 Få studier har gjorts på hur mycket vaxgranulatskivor som egentligen behövs för att uppnå ett bra resultat, blir effekten av dubbla lager vaxgranulatskivor dubbelt så stor som med bara enkla lager? Hur fungerar skivorna i ett sydsvenskt klimat? Funderingarna är många och förhopp-ningsvis kan detta arbete ge klarhet i ämnet.
1.2 Syfte och frågeställning
Syftet med arbetet är att ta reda på om och hur vaxgranulatskivor påverkar uppvärmningsbehov och inomhusklimat. Fokus kommer att ligga på uppvärmningsbehov och förekomsten av övertemperaturer sommartid. Hur stor inverkan som skivmängd, skivplacering och skivans fasändringstemperatur har på resultatet kommer att undersökas.
Följande frågeställningar utgör underlag för arbetet:
- Vad innebär vaxgranulatskivor för uppvärmningsbehovet i ett passivsmåhus beläget i södra Sverige?
- Minskar övertemperaturer i ett passivsmåhus under högsommardagar även i ett sydsvenskt klimat?
- Hur avgörande är mängden och placeringens av fasändringsmaterial när man vill förhindra övertemperatur respektive minska energiförbrukningen för uppvärm-ning?
- Hur stor betydelse har vaxgranulatskivans fasändringstemperatur, och hur påverkar det resultatet?
1.3 Avgränsningar
Denna studie kommer att behandla två sorters gipsbaserade vaxgranulatskivor tillverkade av den tyska byggmaterialtillverkaren Knauf. Valet av Knauf känns logiskt då de är ensamma i Europa om att tillverka gipsskivor med fasändringsegenskaper. Knauf erbjuder två olika gips-skivor med latenta egenskaper, och det enda som skiljer dem åt är fasändringstemperaturen. Båda dessa skivors termiska egenskaper kommer att undersökas.
Endast aspekter som uppkommer i brukarstadiet kommer att behandlas. Arbetet är också begränsat till att bara behandla småhus som enligt FEBY (Forum för energieffektiva byggna-der) kan definieras som passivhus. Kostnadsbesparingar i kronor kommer inte att behandlas och inte eller miljörelaterade frågor.
För att få en hanterbar mängd data ur simuleringarna så måste simuleringstiden avgränsas. Simulering av energibehov kommer att begränsas till ett år, vilket är en vanlig förekommande tidsperiod då man undersöker energibehov i byggnader. För simuleringen som avser övertem-peraturer så kommer simuleringen utföras under årets fem varmaste dagar. Operativa tempera-turer kommer inte att simuleras i denna studie.
10
1.4 Metod
Arbetsgången för denna studie kan delas in i fem delar. Litteraturstudie, datorsimulering, resultat, analys och slutsats. För varje del ligger en vetenskaplig metod som grund för hur arbetet är utfört.
1.4.1 Litteraturstudie
Ejvegård (2003) förespråkar teoribildning i början av ett arbete. Därför kommer en omfattande litteraturstudie i ämnet utföras. Dels för att ge förståelse för hur fasändringsmaterial fungerar, vilka indata som är relevanta för simuleringen och dels för att ta del av tidigare studiers resultat. Litteraturstudien föregås med en litteratursökning, främst genom biblioteksdatabasen Summon och Google Scholar. Teorin som behandlar passivhus, inomhusklimat och energiförbrukning kommer tillstörsta delen baseras på studentlitteratur. Sökord och urval för tidigare studier redo-visas i bilaga 4.
1.4.2 Datorsimulering
För en stor del av arbetet kommer metoden vara datorsimulering och datorsimuleringarna kommer sedan att ligga till grund för en stor del av slutsatserna. Valet av simuleringsprogram grundar sig på tre kriterium som ska uppfyllas: Hög trovärdighet på resultaten, stöd för latent värmelagring i byggnadsmaterial samt vår tillgång till programmet. EnergyPlus och Design-builder var de enda programmen som uppfyllde samtliga krav. Se bilaga 5.
Simuleringsprogrammet EnergyPlus kommer att användas tillsammans med programmet DesignBuilder för att undersöka förekomsten av övertemperaturer och eventuella energi- besparingar med avseende på uppvärmning.
EnergyPlus är ett analys- och simuleringsprogram för energiberäkningar utvecklat av U.S department of Energy. Till det fungerar DesignBuilder som ett komplement och design-hjälpmedel som underlättar arbetet med indata och komplexa husmodeller. Hela arbetet med modelldesign och indatahantering sker i DesignBuilder för att sedan bearbetas och beräknas av EnergyPlus. Tillförlitligheten hos ett mätinstrument (i det här fallet simuleringsprogrammen) måste alltid säkerställas (Ejvegård, 2003). För att garantera att det simulerade resultatet är till-förlitligt kommer därför programmens reliabilitet och möjliga felkällor att undersökas. Data som matas in i DesignBuilder baseras på lagar och regler samt rekommendationer från de två branschorganisationerna Sveby och FEBY.
Datorsimulering är uppdelad i två delar. I den första delen så simuleras byggnadens årsförbruk-ning av energi med avseende på uppvärmårsförbruk-ning. I den andra delen simuleras byggnadens luft-temperatur inomhus. Simuleringen av luft-temperaturer måste göras med högre precision för att få ut ett tillförlitligt resultat. Att simulera med så hög precision för energiberäkningarna resulterar i orimligt långa simuleringstider. Detta är också anledningen till att inomhustemperaturen bara simuleras för fem dagar. Årets fem varmaste dagar som simuleras ger också ett tillräckligt stort underlag för att besvara frågeställningen. Vad som är årets varmaste dagar baseras på klimat-data från 2002. Klimatklimat-data från år 2002 väljs eftersom det är den klimatklimat-data som finns för-installerad i simuleringsprogrammet DesignBuilder.
11 För att kunna besvara frågeställningen kommer åtta olika fall simuleras. Alla fallen jämförs med en referensmodell som helt saknar vaxgranulatskivor.
Fallen baseras på följande.
- Placering – vaxgranulatskivan placeras på två olika sätt. På insidan av yttervägg och yttertak eller på insidan av samtliga väggar, mellanbjälklag och yttertak
- Mängd – skivan monteras enligt två alternativ. I dubbla eller enkla lager - Fasändringstemperatur - vaxgranulatskivorna finns med två fasändrings-
temperaturer, 23 °C och 26 °C
1.4.3 Resultat
Relevant rådata från simuleringsprogrammet kommer att kvantifieras. Det vill säga att den på ett systematiskt sätt kommer att samlas in och analyseras (Ejvegård, 2003). Detta utförs för att det ska vara möjligt att besvara frågeställningen. Mestadels handlar det om att jämföra data och därefter avgöra hur mycket bättre den ena varianten är gentemot den andra, och vice versa (Ejvegård, 2003).
Syftet med datorsimuleringen är att få underlag till att besvara frågeställningen. Resultatdelen kommer därför att utformas för att ge svar på följande:
- Skillnaden mellan att använda dubbla eller enkla lager vaxgranulatskivor - Fasändringstemperaturens inverkan på resultatet
- Hur vaxgranulatskivans placering inverkar på resultatet
Resultatet presenteras sedan i tabeller och diagram för att ge en mer överskådlig bild. Denna metod lämpar sig bra för data som sträcker sig över längre tidsperioder (Ejvegård, 2003).
1.4.4 Analys och slutsatser
I den avslutande delen kommer resultatet analyseras, diskuteras och slutsatser dras. Metoden komparation kommer att tillämpas. Tidigare relevanta studiers resultat kommer att jämföras med vårt. Det som ska jämföras kan komma att generaliseras. Viktigt är att använda tidigare studier som det går att göra, för frågeställningen, relevanta jämförelser med. Det kan bli aktuellt att generalisera vissa av de tidigare studiernas resultat för att de ska vara möjligt att jämföra och dra paralleller. En risk med metoden är svårigheten med att generalisera utan att förvanska resultatet (Ejvegård, 2003).
1.5 Förväntat resultat
Resultatet kan förhoppningsvis ge underlag för mer energieffektiva lätta konstruktioner i Sydsverige och vara vägledande för den som funderar på att investera i tekniken. De uppnådda resultaten förväntas kunna ge byggbranschen underlag i frågan om det är en teknik som i dags-läget är värd att använda i nybyggnation eller renovering av passivsmåhus. Rapporten förväntas vittna om små energimässiga vinster och större vinster i inomhusklimatet. Dessa resultat skall kunna gagna samhället i stort genom att ge underlag för passivhus med bättre inomhusklimat och mindre energianvändning.
12
2 Teori
2.1 Passivhus
Passivhus kan definieras som ett mycket välisolerat och tätt hus som till den största delen värms upp med hjälp av spillvärme från människor, belysning och utrustning (Jansson, 2008). Man kan helt enkelt säga att byggnaden i princip inte behöver ett konventionellt uppvärmnings- system. Den lilla energin som behövs för uppvärmning kan som exempel istället tillföras genom tilluften med hjälp av ett installerat värmebatteri (Jansson, 2008).
Idag finns det i Sverige två olika definitioner för passivhus. Den internationella definitionen framtagen av Passivhaus Institut (PHI) och den svenska definitionen framtagen av Forum för energieffektiva byggnader (FEBY). Ansvaret för utveckling av de svenska kraven för passivhus har dock numera förflyttats från FEBY till Sveriges Centrum för Nollenergihus (SCNH). Det finns skillnader mellan de båda definitionerna varpå det är av vikt att påpeka att denna rapport utgår ifrån de svenska passivhuskraven. I Tabell 2.1 åskådliggörs de krav enligt FEBY (2012) som är relevanta för det antagna passivhuset placerat i södra Sverige.
2.2 Termisk energilagring och värmekapacitet i byggnader
Olika material är olika bra på att lagra termisk energi, I praktiken innebär detta att det behövs mer energi för att höja temperaturen i en viss volym material med hög värmekapacitet. Jämfört med att åstadkomma samma temperaturökning i ett material med låg värmekapacitet. En betongstomme motverkar exempelvis temperatursvängningar bättre än en trästomme. Orsaken är att betong har högre värmekapacitet än trä. Skulle uppvärmningssystemet i en byggnad plöts-ligt sluta fungera så kommer temperaturen i en betongbyggnad sjunka långsammare än i en träbyggnad.
Kravtyp Värde
Energi levererad, bostäder < 400 kvm 55 kWh/ m2 ,år. Icke eluppvärmt.
VFTDVUT 17 W/m2 Luftflöde ≥ 0,35 l/s, m2 Täthet 0,3 l/s, m2 Spillvärme 4 kWh/ m2 U-värde fönster 0,8 W/ m2K Värmeåtervinning ≥ 70 % (börkrav) Primärenergi 55 kWh/ m2
Innetemperatur vid värmeberäkning 21 °C Max tilluftstemp 52 °C Hushållsel 30 kWh/m2
Tabell 2.1 Passivhuskrav och rek. värden enligt FEBY 12 för småhus i klimatzon III för bostadhus mindre än 400 m2
13 En byggdels värmekapacitet ges av (1) (Sandin, 2010).
𝐶 = 𝜌 ∙ 𝑉 ∙ 𝑐 (1)
𝜌 = materialets densitet 𝑉 = byggdelens volym
𝑐 = materialets värmekapacitet per massenhet
Det finns studier som visar på att det går att minska energianvändningen med tunga konstrukt-ioner (Bellamy & Mckenzies, 2003). Istället för att behöva tillföra energi till byggnaden för uppvärmning kan då energin som tidigare lagrats i konstruktionen användas. Detta innebär att med mer lagrad energi i konstruktionen krävs det mindre inköpt energi för uppvärmning vid kalla perioder. En studie av Bellamy och Mckenzies (2003) visar på en årlig energibesparing på 7 % för småhus, med avseende på uppvärmning.
Den termiska energilagringen bidrar till att låga inomhustemperatur undviks vid tider då värme-systemet är avstängt (Chengel 1997). Energilagringen i byggnaden kan även ge lägre inomhus-temperaturer under varma dagar (Heier, Bales & Martin, 2007). Värmelagring kan ske i tre olika former. Latent, sensibel och kemisk värmelagring (Moran & Shapiro 1993).
2.2.1 Sensibel värmelagring
Den sensibla värmelagringen sker när ett material ökar i temperatur utan kemiska reaktioner eller fas-växlingar. Det är denna värmelagring som vanligtvis sker i normala byggnadskonstruktioner. Ofta används begreppet värmetröghet istället för sensibel värmelagring för att beskriva värmelagring- egenskaperna i byggnader och konstruktioner. Stor-heten som används i dessa sammanhang är specifik värmekapacitet och åsyftar den mängd energi som behövs för att ändra temperaturen i materialet. Ökningen i temperatur i materialet är linjär mot till-förd energi (Moran & Shapiro, 1993) vilket visas för ett godtyckligt material i figur 2.1.
2.2.2 Latent värmelagring
När ett material byter fas lagras energi i materialet då själva fasändringen kräver energi. Den energi som lagras i materialet och därmed skapar en fasväxling är den latenta värmelagringen. Om till exempel ett ämne går från fast till flytande fas används den till-förda energin till just själva fasomvandlingen, till skillnad från sensibel värmelagring där energin lagras i form av ökad temperatur i materialet.
Fasomvandlingen gör att man kan hålla nere tempe-raturen i materialet trots ökad energimängd. I figur 2.2 visas ett diagram över hur temperaturen förändras i ett material som går igenom en fasomvandling. Fram till fasbytet så sker först linjär sensibel värmelagring.
Ti llför d e n e rg i Temperatur Sensibel värmelagring
Figur 2.1 Förhållandet mellan temperatur och till-förd energi vid sensibel värmelagring
Ti llför d e n e rg i Temperatur Latent värmelagring Latent värme-lagring
Figur 2.2 Förhållandet mellan temperatur och tillförd energi vid latent värmelagring
14 Vid fasbytet avstannar temperaturökningen trots den fortsatt ökande tillförda energin för att efter fasbytet återge till sensibel värmelagring. (Chengel, 1997). Latent värmelagring kan i specifika fall vara så mycket som tre till fyra gånger större än sensibel värmelagring.
2.2.3 Kemisk värmelagring
Med kemisk värmelagring menas den energi som lagras i material i form av kemiska bindningar på atomnivå. Vid förbränning av materialen löses dessa kemiska bindningar upp och bildar nya, mindre energirika, bindningar. I denna process övergår den kemiska energin som lagrats i bind-ningarna till bland annat termisk energi och på så sätt kan värme utvinnas. Exempel på kemisk värmelagring är stearinljus och ved. (Moran & Shapiro, 1993) Kemisk värmelagring behandlas inte vidare i denna rapport.
2.3 Termisk energilagring med vaxgranulatskivor från Knauf
I datorsimuleringarna kommer vaxgranulatskivorna Knauf PCM Smartboard 23/26 att använ-das. I detta avsnitt kommer därför en närmare beskrivning göras av dessa och företagen som står bakom dem.
2.3.1 Bakgrund och beskrivning
Knauf PCM Smartboard 23/26 har funnits på marknaden sedan 2006 (Chemical Business Newsbase, 2006) och tillverkas av tyska företaget Knauf Gips KG som är en av Europas största tillverkare av traditionella gipsskivor. Skivorna ersätter vanliga gipsskivor i tak och på väggar. Som det framgår av sifforna i produktnamnet (23/26) så finns två olika varianter finns att välja mellan. En med fasändringstemperaturer på 23°C och en på 26 °C, de är i övrigt helt identiska. Tack vare att skivan är inkorporerad med mikrokapslar innehållande paraffin så har den för-mågan att latent kunna lagra och frigöra termisk energi. (Knauf, n.d.)
Hur fungerar då detta i praktiken? För att förklara det kan man förställa sig ett rum vars väggar är täckta med vaxgranulatskivor. Säg att temperaturen i rummet når skivornas smältpunkt (23 °C eller 26 °C beroende på skiva). När detta sker kommer det inkorporerade vaxgranulatet att gå från fast till flytande form. För att denna fasändring ska kunna ske behövs det energi, energi som tas från rumsluften i form av värme. Resultatet blir en lägre rumstemperatur. När temperaren senare sjunker, exempelvis på natten, så kommer vaxgranulatet återgå till fast form, vilket resulterar i att värmeenergi återförs till rumsluften. På så sätt är det möjligt att spara uppvärmningsenergi samt att erhålla stabilare och jämnare inomhustemperaturer (Micronal. 2013).
Knauf PCM Smartboard är vid första anblick helt lik en traditionell gipsskiva men skiljer sig genom att den är glasfiberarmerad och innehåller 26 % vaxgranulat. Vaxgranulat är små kapslar i polymer med en diameter på 5-10 μm. Kapslarna innehåller fasändringsmaterialet paraffin som är en sort vax. Det är vaxgranulatet som ger skivan förmågan att latent kunna lagra och frigöra energi (Knauf, n.d.).
Kapslarna är tillverkade av BSAF som är en av världens största kemikalietillverkare med en omsättning på drygt 78 miljarder euro 2012 (BASF, 2013a). Företaget är grundat 1865 och har sitt säte i Tyskland. Man är verksamma i en rad branscher. Typiska produkter är våtrumssilikon, fogmassa, betongtillsatsmedel och byggisolering (BASF, 2013b).
15 Kapslarna går under produktnamnen Micronal DS5001 X (fasändringstemperatur 26 °C) och Micronal DS5008 X (fasändringstemperatur 23 °C). Dessa är inte begränsade till Knauf PCM Smartboard utan kan även blandas in i andra byggmaterial (Micronal, 2013).
2.3.2 Egenskaper
Skivorna har enligt tillverkaren en latent värmekapacitet på 330 kJ/m2 och en specifik värme-kapacitet på 1,2 kJ/kgK. Paraffinet i vaxgranulatskivan gör att den specifika värmevärme-kapaciteten blir något högre än i en traditionell gipsskiva. Enligt Knauf (n. d) kan två lager PCM Smartboard lagra lika mycket termisk energi som en 14 cm tjock betongvägg. I tabell 2.2 redovisas skillnader mellan en Knauf Classic Board som är en traditionell gipsskiva och Knauf PCM Smartboard.
Tabell 2.2 Skillnader mellan traditionella gipsskivor och vaxgranulatskivor Traditionell gipsskiva
Knauf Classic board
Gipsbaserad vaxgranulatskiva Knauf PCM Smartboard Mått, mm (höjd/bredd/tjocklek) 12,5x1200x2200 15x1250x2000 Vikt, kg/m2 9 12 Specifik värmekapacitet kJ /kgK. 1,1 1,2 Latent värmelagringskapacitet Kj/m2 0 330
För Knauf PCM Smartboard med Micronal PCM finns två varianter fasändringstemperaturer att välja mellan, 23 °C och 26 °C (Knauf, n. d).
Enligt tillverkaren brukar fasändring inträffa vid en exakt temperatur, detta är dock en sanning med modifikation. Vaxgranulatet smälter och stelnar inte vid exakt samma temperatur, så kallat hysteres. Förhållandet mellan temperatur och specifik värmekapacitet ser ut enligt figur 2.3 (smältning) och figur 2.4 (stelning).
I figur 2.3 ser man att paraffinets maximala smältentalpi uppnås vid 22,5 °C (PCM 23) respektive 25,5°C (PCM 26). Vid fasövergången från fast till flytande absorberas värme från rumsluften. -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 25,5 26,5 27,5 28,5 29,5 30,5 31,5 32,5 33,5 34,5 Sp e ci fi k vär m e kap ac ite t kJ /kgK Temperatur °C PCM 23 PCM 26
Figur 2.3 Specifik värmekapacitet då fasändringsmaterialen går från fast till flytande. Paraffinet absorberar värme. (PCM express, 2008)
16 Figur 2.4 åskådliggör förhållandet när materialet åter stelnar. Vid 23,5 °C uppnås maximal stelningsentalpi för PCM 23 och samtidigt avger paraffinet energi i form av värme till rums-luften. Likande förhållande gäller för skivan med fasändringstemperatur på 26 °C. Vid 26,5 °C, då paraffinet åter stelnar, så frigörs energi till rumsluften.
2.4 Termisk komfort
Definitionen på termisk komfort kan betraktas som det tillstånd då en person känner sig tillfreds och upplever inomhustemperaturen behaglig (Warfvinge & Dahlblom, 2010). Självklart före-kommer skillnader mellan individer och det är svårt att komma alla till lags. Upplevelsen påverkas också av personberoende parametrar som klädsel och aktivitet. Förutom temperatur så påverkar också luftens fuktighet, luftens hastighet och omgivande ytors temperatur (Warfvinge & Dahlblom, 2010).
2.4.1 Lufttemperatur
Lufttemperaturen används ofta som mått på komforten i en byggnad. Detta är dock ett något missvisande sätt att mäta komfort på då man inte beaktar värmestrålning och luftrörelser. Exempelvis så gör drag i ett rum att den upplevda temperaturen känns lägre än den uppmätta, vilket kompenseras med högre lufttemperatur. Den operativa temperaturen, som beskrivs i avsnitt 2.4.2, är ett bättre komfortkriterium. I en förstudie är det dock vanligt att man endast mäter rummets lufttemperatur (Abel & Elmroth, 2008).
2.4.2 Operativ temperatur
Den operativa temperaturen kan betraktas som den upplevda temperaturen och beräknas som en sammanvägning av lufttemperatur och medelstrålningstemperaturen från omgivande ytor. Med normala yttemperaturer i ett rum så kan värmeövergångskoefficienterna sättas lika vilket ger följande utryck för operativ temperatur (Abel & Elmroth, 2008).
0 2 4 6 8 10 12 14 16 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 25,5 26,5 27,5 28,5 29,5 30,5 31,5 32,5 33,5 34,5 Sp e ci fi k vär m e kap ac ite t kJ /kgK Temperatur °C PCM 23 PCM 26
Figur 2.4 Specifik värmekapacitet då fasändringsmaterialen går från flytande till fast. Paraffinet frigör värme (PCMexpress, 2008)
17 𝑇𝑜𝑝=
𝑇𝑙𝑢𝑓𝑡+ 𝑇̅𝑟
2 (2)
𝑇𝑙𝑢𝑓𝑡 = lufttemperaturen
𝑇̅𝑟 = medeltemperaturen hos omgivande ytor
2.4.3 Övertemperturer
Det finns rapporter som visar på att övertemperaturer är vanligt förekommande i energieffektiva byggnader. En studie av den danske forskaren Larsen (2011) visar på att övertemperatur är ett genomgående problem för lågenergibyggnader. Aktiv fönstervädring och solavskärmning anges som en av de viktigaste och vanligaste åtgärderna för att få ner inomhustemperaturerna. För att undvika övertemperaturer sommartid så måste värmeväxlaren ha en bypass-funktion, vilket innebär att värmeåtervinningen kan förbikopplas (Janson, 2010). Ytterligare en orsak till övertemperaturer kan vara elektronisk utrustning som finns i hemmet. Sveby (2012) uppskattar att 70 % av all elektrisk energi som används omvandlas till värme. Därför är det viktigt att hålla hushållselförbrukningen på en låg nivå (Janson, 2008).
2.4.3.1 Socialstyrelsens definition och krav
Socialstyrelsen (2005) rekommenderar att man i rum där man vistas mer än tillfälligt inte bör ha lufttemperaturer som överstiger 26 °C. Finns det underlag för vidare bedömning av det termiska klimatet ska den operativa temperaturen användas. Socialstyrelsens riktvärden är då att den operativa inomhustemperaturen inte bör överskrida 26 °C långvarigt och 28 °C kort-varigt. Vad som ska betraktas som varaktigt eller kortvarigt ska enligt Socialstyrelsen bedömas från fall till fall, vilket görs av miljönämnden.
2.5 Dimensionerande temperaturer
2.5.1 Dimensionerande innelufttemperatur, DITDen dimensionerande innetemperaturen, DIT, bestäms efter byggnadens verksamhet och bru-karnas krav på den termiska komforten (Warfvinge & Dahlblom 2010). För passivhus ska DIT väljas till 21°C (FEBY, 2012). För andra byggnader och lokaler med speciell verksamhet kan det finnas andra rekommendationer för DIT som inte behandlas i detta arbete (Warfvinge & Dahlblom 2010).
2.5.2 Dimensionerande vinterutetemperatur, DVUT
När man dimensionerar radiatorer, rör och värmekälla så utgår man från en slags lägsta medel-utomhustemperatur som förväntas förekomma under minst ett dygn av året. DVUT (Dimensionerande vinterutetemperatur) bestäms av var i landet byggnaden ligger och av bygg-nadens tidskontant. Ett rätt uppskattat värde på DVUT är viktigt för att få ett korrekt dimens-ionerat värmesystem. Ett för lågt värde på DVUT medför ett överdimensdimens-ionerat värmesystem och ett för högt värde medför således ett underdimensionerat värmesystem med låga inomhus-temperaturer vintertid (Warfvinge & Dahlblom 2010).
2.5.2.1 Husets tidskontant
För att beskriva hur värmetrög en byggnad är så anges ofta byggnadens tidskontant. Tids- konstanten är ett mått på hur snabbt byggnaden reagerar på ändrade väderförhållanden. Tunga byggnader av betong reagerar långsammare på temperaturvariationer än lätta byggnader.
18 En förändring i utomhustemperatur märks alltså snabbare i en byggnad som är lätt jämfört med en tung (Sandin, 2010)
Värmetrögheten beskrivs med en tidskontant som kvoten av byggnadens värmekapacitet innanför isolerskiktet och den specifika värmeeffektförlusten. Maximalt 10 cm från insidan räknat får ingå i beräkning av värmekapaciteten (Warfvinge & Dahlblom 2010).
∑ 𝑚𝑗𝑐𝑗
𝑄𝑡+𝑄𝑣+ 𝑄𝑙∙ 1
3600 (3)
∑ 𝑚𝑗𝑐𝑗 = summan av omslutande byggdelars värmekapacitet
𝑄𝑡 = effektförluster pga. transmission ink. köldbryggor
𝑄𝑣= effektförluster pga. ventilation
𝑄𝑙 = effektförluster pga. läckage
I tidiga skeden av projekteringsfasen kan man istället för att beräkna (3) använda schablon-värdena i tabell 2.3 (FEBY, 2009).
Tabell 2.3 Tidskonstanter för olika typer av byggnader (FEBY, 2009) Lätt byggnad – lätt konstruktion med
krypgrund
Halvlätt byggnad – lätt konstruktion, platta på mark
Tung byggnad – tung konstruktion bjälklag av betong
80 h 150 h 300 h
2.6 Byggnadens energibalans
I ett bostadshus används energi för olika syften. Energi går till uppvärmning av bostaden, upp-värmning av tappvatten, hushålls- och fastighetsel (Abel & Elmroth, 2008). När indata ska matas in i simuleringsprogrammet måste de poster som på ett eller annat sätt påverkar upp-värmningsbehovet beaktas. En redogörelse för dessa kommer därför göras i detta avsnitt.
2.6.1 Byggnadens uppvärmningsbehov
Uppvärmningsbehovet betecknar den energi som används för uppvärmning av bygganden och påverkas av flera olika poster. Posterna kan vara antigen värmeförluster eller värmetillskott (Abel & Elmroth, 2008).
Transmissionsförluster är den värmeförlust som sker igenom klimatskalet. Vilket sker då
temperaturen utanför klimatskalet är lägre än temperaturen på insidan. Hur stora transmissions-förlusterna blir beror på temperaturskillnaden ute och inne samt hur väl klimatskalet isolerar. En stor del av förlusterna sker genom köldbryggor som till exempel rörgenomföringar eller reglar (Abel & Elmroth, 2008).
Ventilationsförluster - För att säkerställa en bra luftkvalitet krävs det att luften byts ut. Normalt
erfordras en halv luftomsättning per timme i bostäder och bestäms i första hand av hur många personer som vistas i huset. Kall uteluft som kommer in från ventilationssystemet måste värmas upp till innetemperatur, och för det krävs energi (Abel & Elmroth, 2008).
19
Luftläckage- och vädringsförluster - Värmeförluster på grund av att luft läcker in och/eller ut
klimatskalets otätheter förekommer i alla byggnader. I passivhus prioriteras tätheten högt eftersom all luft som läcker in måste värmas upp vilket kräver energi. Även vädring under uppvärmningssäsongen ger upphov till värmeförluster som måste beaktas. (Abel & Elmroth, 2008). Sveby (2012) rekommenderar att ett påslag för vädringsförluster görs på beräknings-resultaten i efterhand.
Värmetillskott genom värmeåtervinning – Som tidigare nämnts så sker en del av värme-
förlusterna i en bostad sker genom ventilationsluften. För att reducera förlusterna så kan man återvinna värmen ur ventilationsluften, vilket kan ske med antingen en värmeväxlare eller en värmepump. Runt 80 % av värmen i frånluften kan återvinnas, verkningsgraden kan dock minska vid kallt väder.
Internt värmetillskott - Utrustning, belysning och brukare ger upphov till interna värmelaster i
en byggnad. Under vintertid är detta positivt eftersom det bidrar till att minska uppvärmnings-behovet. Sommartid kan det istället ge upphov till övertemperaturer, speciellt om huset är ett väl isolerat passivhus. Trots att värmetillskottet bidrar till uppvärmningen vintertid så är ett så
lågt värmetillskott som möjligt fördelaktigt. Detta pga. är just riskerna för övertemperaturer
sommartid (Abel & Elmroth, 2008). För att undvika övertemperaturer i bostaden rekommenderas att värmeåtervinningen stängs av vid varmt väder (Abel & Elmroth, 2008).
Värmetillskott genom solinstrålning- Sol som strålar in genom fönster ger bygganden ett
värmetillskott. På vintern när det finns ett stort uppvärmningsbehov så ger solinstrålningen upp-hov till att minska det beupp-hovet. På sommaren, vår och höst så kan solinstrålningen istället ge oönskade effekter på inomhusklimatet med höga temperaturer. Detta är särskilt vanligt i mycket välisolerade hus. Stora fönsterytor som vetter mot i söder måste ofta förses med markiser eller annan solavskärmning för att säkerställa ett bra inomhusklimat sommartid (Abel & Elmroth, 2008).
Distribution- och reglerförluster - Friktion ledningar och ventilationskanaler ger upphov till
distributionsförluster. Reglerförluster påverkar husets temperaturreglering och leder till skillnader mellan önskad inomhustemperatur och den verkliga temperaturen i olika rum. I vanliga småhus är dessa förluster ofta små i den totala energibalansen medan de i passivhus kan utgöra en betydligt större del (Abel & Elmroth, 2008). Sveby (2012) rekommenderar att ett påslag för distribuerings-och reglerförluster görs på beräkningsresultaten i efterhand.
2.6.2 Övriga poster
Ytterligare tre poster finns med i byggnadens totala energibalans. Dessa påverkar inte upp-värmningsbehovet men för helhetens skull kommer dessa också kort beskrivas.
Fastighetsel - för småhus främst den el som går till att driva ventilationsfläktar och pumpar för
vattencirkulation. Hur mycket el som går åt till driften bestäms av hur dessa system är ut- formade, används och underhålls. Fläktar och pumpar med låg verkningsgrad samt undermåligt underhåll ger en högre förbrukning av fastighetsel (Abel & Elmroth, 2008).
Hushållsel - den del av el som går till apparater och belysning i bostäder och utgör en stor andel
av den totala energibalansen. Behovet av hushållsel kan också variera stort och installation av eluppvärmda handdukstorkar och elgolvvärme kan som exempel öka behovet avsevärt (Abel & Elmroth, 2008). Denna post påverkar inte uppvärmningsbehovet men används när internt värmetillskott ska beräknas (Sveby, 2012).
20
Tappvarmvatten - Behovet av varmvatten varierar stort med brukarens vanor. Luftinblandare i
duschmunstycken och engreppsblandare har på senare år gett upphov till ett minskat varm- vattenbehov. Varmvatten behövs under hela året men under vintern, då kallvattnet är något kallare, går det åt något mer energi (Abel & Elmroth, 2008).
3 Tidigare studier och undersökningar
Detta avsnitt är uppdelat i två delar. Uppdelningen baseras på vad den undersökta studien handlar om. Avsnitt 3.1 Energiförbrukning behandlar studier som fokuserat på vaxgranu-latskivors påverkan på uppvärmningsbehovet och avsnitt 3.2 Övertemperaturer och
inomhus-klimat tar upp studier där fokus legat på förekomsten av övertemperaturer.
3.1 Energiförbrukning
Diaconu och Cruceru, (2010) beskriver en väggkonstruktion bestående av två vaxgranulat-skivor med olika smältpunkter och undersöker dess påverkan på byggnadens energi-konsumtion och temperatursvängningar. I undersökning gör de en matematisk beräkning och utifrån denna en årslång simulering. I beräkningen bortses från eventuell värmeök-ning/sänkning från fönster- tak- och golvkonstruktion, hysteres i fasändringsmaterialet. Sam-tidigt förutsätter de att värmekonsumtionen i kompositpanelen är endimensionell och att lagerna i väggkonstruktionen är homogena och isotropa. De förutsätter att energiförluster från övriga byggnadsdelar inte påverkar resultaten.
Vidare är Diaconu och Crucerus väggkonstruktion placerad på insidan i ett testrum med FTX-system i storleken 28 m × 10 m × 3 m. Testrummet är helt utan fönsterytor där de eliminerar den tillförda effekten från solinstrålning. Byggnaden är placerad i ett tempererat inlandsklimat vilket skiljer sig något från det klimat som finns i södra Sverige. Resultatet från rapporten visar på en energibesparing med avseende på uppvärmning på 12,8 % över året.
Athentis et al (1996) utförde ett experiment på ett rum med måtten 2,82 m × 2,22 m × 2,24 m. Rummet var utrustat med golvvärme och vaxgranulatskivorna monterades ovan på befintliga gipsskivor. Klimatets temperaturintervall i försöket sträckte sig från -25˚C till 23 ˚C vilket skiljer sig från något från det klimat som finns i södra Sverige. De tog hänsyn till strålnings-effekten som trängde igenom det 1,2 m2 stora fönstret på den södra väggen genom att mäta yttemperaturer på de olika gipsskivorna. Resultatet från studien visade på en minskning i uppvärmningsenergin på 15 % när fasändringsmaterial användes på väggarna. För att jämföra med och utan vaxgranulatskiva gjorde de hål i vaxgranulatskivan för att mäta yttemperaturen på gipsskivan. Det framgår också att smältpunkten på skivan i Athentis et al:s studie ligger mellan 16 till 21 ˚C vilket är märkbart lägre än de smältpunkter som är vanliga i dagens vax-granulatskivor i bostäder. Studien beaktar värmestrålning och hysteres. De finner att det finns en temperaturskillnad mellan väggyta med fasändringsmaterial och väggyta utan fasändrings-material. Hur stor påverkan vaxgranulatskivan skulle ha om hela rummet var täckt drar de inga slutsatser om.
Enligt en studie utförd av Heier, Bales och Martin (2012) som behandlar vaxgranulatskivors inverkan på energibehov och inomhustemperaturer visar att det finns små vinster att göra. De har i denna studie placerat vaxgranulatskivor på insidan av ytterväggarna i ett passivhus i svenskt klimat. Energiåtgången i huset simulerades med simuleringsprogrammet TRNSYS. Resultaten visar att vaxgranulatskivor minskar energiåtgången för uppvärmning med 0,5- 3 % beroende på vaxgranulatskivans fasändringstemperatur. Enligt studien har en fasändrings-temperatur nära den eftersträvade inomhusfasändrings-temperaturen större effekt på minskningen i upp-värmningsenergi än andra fasändringstemperaturer. De bortser från skivornas placering fast det finns studier som visar att PCM är särskilt effektivt vid placering i undertak för att minska antalet övertemperaturstimmar. Det kan innebära att man bortser från den mest effektiva placeringen (Tyagi & Buddhi, 2007). De förutsätter idealiska material som fasväxlar vid en 21
specifik temperatur och inte över ett temperaturspann, som skulle vara ett mer realistisk antagande. I studien framgår inte vilken sensibel och latent värmekapacitet de åsyftade vax-granulatskivorna har, vilket är faktorer som kan ha påverkan på resultatet.
3.2 Övertemperaturer och inomhusklimat
Zhang, Medina och King (2005) utförde ett experiment i Lawrence, Kansas med två enkla testhus. Testhusen hade dimensionen 1,83 m × 1,83 m × 1,22 m hade ett fönster. Husen var byggda med en konventionell konstruktion i trä. I ett av testhusen placerades en vaxgranu-latskiva på insidan av vägg- och takkonstruktionen. Resultaten visade att i huset med vax-granulatskiva minskade tiden med höga inomhustemperaturer (över 26 °C) med som bäst 25 % under deras förutsättningar. Dock var medelinomhustemperaturen under testperioden bara 0,27 C˚ lägre. Resultatet uppvisades då en vaxgranulatskiva med 20 % paraffin användes. Kansas klimat skiljer sig mycket från det sydsvenska klimatet, där temperaturskill-naderna och antalet soltimmar är betydligt mindre. Dessutom kan isolerings- egenskaperna i konstruktionen, som inte är beskrivna i experimentet, ha inverkat på inomhustemperaturen. Kuznik (2012) gjorde 2006 ett experiment med klimat liknar det som finns i södra Sverige. I experiment användes en kammare där temperaturen varierar mellan 15 °C nattetid och 30 °C dagtid, vilket kan liknas vid en svensk högsommardag. I kammaren placerades något som ska efterlikna ett normalisolerat hus med vaxgranulatskivor från Knauf. En glasruta i den södra husväggen och värmelampor användes för att simulera strålningseffekten. Enligt Kuznik så minskade temperaturvariationerna i inomhusluften med 4,7 ˚C. Resultatet visade samtidigt att vaxgranulatskivorna kunde lagra 352 KJ/m2, en siffra som ligger nära tillverkaren Knaufs
egna uppgifter. Hur stor påverkan denna lagring har på uppvärmningsenergianvändningen behandlas inte i Kuzniks experiment. Experimentet är ett värsta tänkbara scenario med en konstant solinstrålning och det är ovisst hur ett mer varierat väder skulle påverkat resultatet. Glasrutan placerades endast i den södra väggen och kanske hade en annan placering av fönsterpartiet givit andra resultat. Kuznik nämner också att experimentet tar en liten tidsperiod i beaktning och är närmast att ses som en referens till studier över längre tidsperioder med mer varierande väderlek.
Schossig et al (2005) undersökte i ett fullskaligt experiment, vaxgranulatskivors inverkan på övertemperaturer. Tidsperioden var 24 till 31 augusti 2002 (totalt 192 h) och placeringen för experimentet var München, Tyskland. Testrummet var uppbyggd med en typisk lätt kon-struktion. Vaxgranulatskivorna som hade en fasändringstemperatur på 24 °C respektive 26 °C monterades i ett lager på rummets innerväggar. Ett likadant referensrum utan vax-granulatskivor används för att se hur skivorna påverkade förekomsten av höga inomhus-temperaturer. Båda rummen hade fönster mot söder. Resultatet visade att skivorna reducerade en stor del av timmar med temperaturer över 26 °C. Högsta uppnådda temperatur reducerades i det bästa fallet med 4 °C. Variationen i temperatur blev också mindre över dygnen, vilket innebar högre lägsta temperaturer nattetid. Rummet med vaxgranulatskivor hade fler timmar med 22 °C till 24 °C än referensrummet utan vaxgranulat. Effekten var än större på tempera-turer över 28 °C där antalet timmar gick från 26 % utan vaxgranulatskivor till bara 2 % med vaxgranulatskivor. I slutet av experimentet uppvisades sämre resultat, vilket berodde på att temperaturen låg för högt och varierade för lite vilket i sin tur medförde att fasändrings-cyklerna mer eller mindre inte fullgjordes. De drar slutsatsen att vaxgranulatskivor kan öka den termiska komforten i en byggnad men att det är viktigt att temperaturen får variera, vilket 22
tillexempel kan uppnås genom vädring nattetid. Man bör också kombinera skivorna med effektiva solskydd för att på ett effektivt sätt undvika höga temperaturer.
I ett annat fullskaligt experiment utfört i Guimarães, Portugal av Silva et al (2008). Två lägenheter i ett hus med betongstomme jämfördes. I en av lägenheterna hade vaxgranulat-skivor monterats i tak och samtliga väggar. Det andra rummet var av konventionell typ och helt utan fasändrande material. Resultaten visade på en temperaturreducering på 5 °C under de varmaste timmarna på dagen. Den lägst uppmätta temperaturen låg 1,5 °C högre jämfört med rummet utan fasändringsmaterial.
Kendricks och Wallimans (2006) simuleringsstudie av ett fiktivt lättkonstruktionshus i två plan beläget i Australien visade att vaxgranulatskivor kan reducera övertemperaturer. Vädret under simuleringen var något som kan liknas vid en svensk sommar. Vaxgranulatskivan var placerad i innertaket på båda våningarna, effekten av både ett och två lager undersöks. Fasändringstemperaturerna var 21, 22 och 23 °C. Timmar med temperaturer över 24 °C redu-cerades från 32 % utan vaxgranulatskivor till 27 % med ett lager vaxgranulatskiva som hade förändringstemperatur på 23 °C. Resultatet för fasändringstemperaturerna 21 °C och 22 °C blev 24 % respektive 29 %. Resultatet blev sämre ju längre den varma perioden bestod. Vid en dubblering av skivorna så reducerades inomhustemperaturer med ytterligare ca 1 °C, och det gällde oavsett fasändringstemperatur. Med dubba skivor höll sig dessutom temperaturen under 26 °C under hela simuleringsperioden. Resultatet var sämre än väntat och orsaken till det antogs vara att inomhustemperaturen inte varierade tillräckligt mycket. Det medförde att vaxgranulatet inte helt fullföljde smält- och stelningsfaserna. Kendrick och Walliman drar också slutsatsen att temperaturerna inte reduceras tillräckligt mycket för att uppnå en behaglig inomhustemperatur.
EnergyPlus 7.1 - Beräkning
4 Simulering i EnergyPlus och DesignBuilder
4.1 Simuleringsprogram
För att utföra simuleringarna användes två olika datorprogram som är stark kopplade till varandra, DesignBuilder 3.1 och EnergyPlus 7.1. DesignBuilder fungerar som ett användar-gränssnitt till energiberäkningsprogrammet EnergyPlus. Informationen matades in i Design-Builder som sedan skickade de inmatade parametrarna vidare till Energyplus där de datorise-rade beräkningarna utfördes.
DesignBuilder, som är ett användargränssnitt till energiberäkningsprogrammet EnergyPlus, användes främst för att underlätta arbetet inmatning av data.
4.1.1 DesignBuilder - reliabilitet och validitet
DesignBuilder är ett program framtaget av DesignBuilder Software Ltd och är utvecklat för att underlätta arbete med energiberäkningsprogrammet EnergyPlus. Då DesignBuilder är ett tilläggsprogram till beräkningsprogrammet EnergyPlus är det av stor vikt att de båda pro-grammens resultat är identiska och att det inte förekommer någon informationsförlust när de interagerar med varandra. Enligt en oberoende validering, där man jämfört testresultat från DesignBuilder med resultat från EnergyPlus, så är resultaten från DesignBuilder och resulta-ten från fristående beräkningar med EnergyPlus identiska (Henninger & Witte, 2012). Därför sätter vi i denna studie stor tillit till att de resultat vi uppnår med DesignBuilder hade varit de samma om vi hade använt EnergyPlus utan tilläggsprogrammet DesignBuilder. Den stora fördelen med DesignBuilder är att det åskådliggör värden som skall matas in och gör därför att risker för att missa några indata i EnergyPlus blir mindre.
4.1.2 EnergyPlus - reliabilitet och validitet
För att utföra beräkningarna i denna studie användes EnergyPlus 7.1, som är framtaget av U. S Department of Energy. En stor anledning till detta beräkningsprogram användes är att dess utvecklare inte är ett privat företag som kan gynnas av vad beräkningarna uppvisar för resultat. En annan starkt bidragande anledning till att EnergyPlus användes var att det i pro-grammet möjliggjordes inmatning av exakta entalpinivåer i materialet vid olika temperaturer. Tack vare denna möjlighet kunde en fasändring över ett temperaturspann, och inte enbart vid en specifik temperatur, simuleras.
Enligt en validering utförd av National Renewable Energy Laboratory (NREL) finns det stor trovärdighet i resultaten som fås ur beräkningar med EnergyPlus 7.1 (Velasco, Christensen, Bianchi & Boote, 2012).
DesignBuilder 3.1 - Inmatning
av data Resultat
Figur 4.1 Utförande av simulering
En studie av Shrestha et al (2011) visar att EnergyPlus uppvisar liknande data som uppmäts i fältstudie när det gäller temperaturen under uppvärmningsperiod men också att programmet uppvisar försenad respons vid nedkylning. Bristerna i simuleringsresultaten antas av författar-na bero på stor hysteres vilket enligt valideringen från NREL bör undvikas för bästa resultat. Tardieu et al. (2011) studerade resultat från simuleringar med EnergyPlus och uppmätta vär-den i ett fältexperiment och fann stor tillförlitlighet mellan simuleringsvärvär-den utifrån de upp-mätta fältvärdena. De fann att de uppupp-mätta temperaturerna i testbyggnaden med PCM över-ensstämde väl med beräkningarna från EnergyPlus.
På grund av dessa tidigare studier med jämförelser mellan resultat från simuleringar med EnergyPlus och uppmätta värden i fält ansåg vi att EnergyPlus var det mest lämpade beräk-ningsprogrammet att använda i vår studie.
4.1 Felkällor
4.1.1 Konstant densitetEftersom beräkningsalgoritmen i EnergyPlus utgår ifrån att materialen behåller sin densitet oberoende av kemisk fas kan detta innebära brister i de simulerade resultaten. Med en eventu-ellt förändrad densitet kommer den termiska värmelagringen att förändras, vilket bortses från i våra simuleringar (Velasco et al, 2012).
4.1.2 Specifik värmekapacitet
I simuleringen antas materialet ha en konstant specifik värmekapacitet på 1,20 kJ/kgK ef-tersom tillverkaren Knauf (n.d) uppger denna siffra. En eventuell förändring i specifik värme-kapacitet beroende av fas i materialet bortses ifrån (Velasco et al, 2012).
4.1.3 Hysteres
Då simuleringsprogrammet inte kan behandla hysteres så är detta en trolig felkälla. Med stor hysteres i materialet uppstår noggrannhetsproblem i resultaten. Därför bör fasändringsmaterial med liten hysteres användas i simuleringarna. Alternativt måste man beakta resultatet nog-grant (Velasco et al, 2012).
4.1.4 Ventilationsplacering
EnergyPlus förutsätter jämn lufttemperatur i rummet och bortser från eventuella temperatur-skillnader i rummet på grund av tilluft från ventilation. Ventilationens påverkan, på grund av dess placering, på PCM-skivan utgör därför en felkälla av okänd storlek.
4.2 Beskrivning av referensmodellen
Referensmodellen beskriver den husmodell som vi inför simuleringen matat in i DesignBuilder. Det är på denna modell som simuleringarna utförs. För att få ett resultat som ligger så nära verkligenheten så är modellens ut-formning baserade på ett existerande passivhus utformat av småhustillverkan Emrahus (Emrahus, 2013).
Huset är ett friliggande 1 och ½ -plans passivhus med total uppvärmd area på 159 m2. Figur 4.2 illustrerar husets utformning.
Figur 4.2 Illustration av referensmodellen
Huset är en så kallad halvlätt byggnad med en grundplatta i betong och bärande stomme av trä. De flesta fönstren är placerade i vardagsrummet och vetter mot söder. Det inredda vinds-planet har en helt öppen planlösning, figur 4.4, med fönster på gavlarna och ett takfönster mot söder. Fasadernas utsida är vitputsade och taket har ett ytskikt av papp. Planlösningen på bot-tenplan är öppen, med kök och vardagsrum i ett, figur 4.3.
Tabell 4.1 Beskrivning av referensmodellen
Typ Mått Area, ink. öppningar
Yttermått
Fasad mot Norr 7,5 m 31 m2
Fasad mot Öster 13 m 36,4 m2
Fasad mot Söder 7,5 m 31 m2
Fasad mot Väster 13 m 36.4 m2
Total ytterväggsarea - 135,5 m2 Höjd till nock 5,6 m - Takyta - 111 m2 Taklutning 45° - Atemp - 159 m2 Rumshöjd 2,4 m -
Figur 4.3 Planlösning bottenplan Figur 4.4 Planlösning vindsplan
4.3 Referensmodellens konstruktion och uppbyggnad
Grund och undergrund
Grunden är av typen platta på mark och har totalt 300 mm underliggande cellplast. Plattans area är 97,5 m2. För dränering så ligger isoleringen på ett 150-250 mm skikt med tvättad ma-kadam. Sockeln är isolerad med 150 mm cellplast. Undergrunden, den naturliga marken under byggnaden, består av jordfraktionen lera.
Tabell 4.2 Konstruktionslösning - platta på mark
Lager Tjocklek, mm Utsida Makadam - Cellplast 3x100 Betong 100 Insida U-värde W/m2 K 0,125 Ytterväggar
Ytterväggarna är en del av det klimatskiljande skalet och har ett totalt u-värde inklusive köld-bryggor på 0,087 W/m2 K.
Tabell 4.3 Konstruktionslösning - yttervägg
Lager Tjocklek, mm
Utsida
Putssystem 10
Luftspalt 25
Vindpapp -
Korslagdträregelstomme s600 med mellanliggande Isolering 45 Bärande trästomme s600 med mellanliggande Isolering 170 Fristående isolerskikt 170
Plastfolie -
Reglar s600 med mellanliggande isolering 70
Gipsskiva 13
Insida
U-värde W/m2 K 0,087
Yttertak
Yttertaket har ett u-värde på 0,068 W/m2 K inklusive köldbryggor. För att minimera
transmissionsförluster genom reglar så används en lättregel. Taklutningen är 45°.
Tabell 4.4 Konstruktionslösning - yttertak
Lager Tjocklek, mm
Utsida
Plåt -
Underlagstak 10
Luftspaltsbildande skiva - Lättregel s600 med mellanliggande lösull 500 Reglar s450 med mellanliggande Isolering 70
Gipsskiva 13
Insida
U-värde W/m2 K 0,068
Innerväggar och mellanbjäklag
Innerväggarna är alla de väggar som befinner sig innanför klimatskalet. Konstruktion enligt tabell 4.5.
Tabell 4.5 Konstruktionslösning – innerväggar
Lager Tjocklek, mm
Insida
Gipsskiva 2x13
Träreglar med mellanliggande isolering 95
Gipsskiva 2x13
Mellanbjälklaget skiljer bottenplan från vindsplan. En öppning (3x2 meter) för trappa finns i hallen. Mellanbjälklagets konstruktion ser ut enligt tabell 4.6
Tabell 4.6 Konstruktionslösning – innerväggar
Lager Tjocklek, mm
Golv, vindsplan
Gipsskiva 2x13
Spånskiva 22
Bjälkar med 70 mm mellanliggande isolering 220 Glesplanel
Gipsskiva 13
Innertak, bottenplan
Öppningar
Samtliga fönster i huset har ett u-värde på 0,8 W/m2 K, och u-värdet gäller för hela
fönster-konstruktionen. Även ytterdörrar och altandörr ges ett u-värde på 0,8 W/m2 K. Största delen av fönstern är placerade i vardagsrummet/köket i den södra fasaden, även altandörren är pla-cerad här. Solfaktorn (g) i tabell 4.7 visar den totala solenergitranmittansen genom fönstergla-set enligt SS EN 410 (Sveby, 2012).
Tabell 4.7 Beskaffenheter för öppningar
Typ Orientering Yta, m2 Glasandel Antal Andel, % U-värde, W/m2 K Solfaktor, g
Fönster Norr 3,4 80% 3 10 0,8 0,57 Fönster Öster 1,6 80% 1 5 0,8 0,57 Fönster + altandörr Söder 6,9 60% 4 21 0,8 0,68 Fönster Väster 2,7 80% 2 8 0,8 0,57 Takfönster Söder 2,7 80% 1 2 0,8 0,57 Ytterdörr Norr 2,1 0% 1 0,8 - Totalt för klimat-skal 19 12 10 %
4.4 Indata, förutsättningar och placering
En mängd indata måste matas in i DesignBuilder för att resultatet av simuleringarna ska bli korrekt. Detta avsnitt kommer redovisa och motivera vald indata samt placeringen av huset. I tabell 4.7 listas indata som används för simuleringarna i DesignBuilder.
Tabell 4.8 Indata i DesignBuilder
Indata
Ventilation och läckage
Luftomsättningar 0,5 oms/h Värmeåtervinning, verkningsgrad 0,7 Luftläckage 0,3 l/s, m2 Internt värmetillskott 5,59 W/m2 Solvärmereduktion 50 % Skuggfaktor – fönster 0,5 DIT 21 ˚C DVUT 9,4 ˚C
4.4.1 Klimat, klimatdata och lokalisering
Huset är beläget i Malmö i klimatzon III. Klimatet i Malmö är tempererat med milda vintrar och somrar. Klimatdata som redan finns i DesignBuilder kommer att användas i simulationen. 29
De klimatdata som är förinstallerade är från 2002 och gäller SMHI:s klimatstation Malmö Bulltofta. Högsta och lägsta medeltemperaturen för Malmö Bulltofta varierar enligt tabell 4.9.
Tabell 4.9 Maximala och minsta medeltemperaturer för klimatstation Malmö Bulltofta Källa SMHI(2013a)
Årsmedeltemperaturen 2002 var 9,2 °C vilket är högre än normala 7,8 °C. Vinter och vår får ses som onormalt milda samtidigt som sommar och höst var svalare än normalt. Tabell 4.10 visar normala årstemperaturer för Malmö normalperioden 1961-1990, jämfört med 2002 års medeltemperaturer (SMHI, 2013).
Tabell 4.10 Temperaturdata vid klimatstation Malmö Bulltofta Källa: SMHI(2013b)
Månad Medeltemperatur 2002 Normalmedeltemperatur
Januari 2 -0,7 Februari 3.9 -0,6 Mars 4.5 2.0 April 7.2 6 Maj 13.3 11,3 Juni 16.5 15,3 Juli 18.2 16,5 Augusti 20 16,4 September 14.6 13 Oktober 6.9 9,1 November 4.2 4,5 December -0.5 1,3 Årsmedel 9.2 7,8 4.4.2 Dimensionerande temperaturer
Enligt FEBY (2009) så kan tidskonstanten för en halvlätt byggnad uppskattas till 150 timmar. Detta ger enligt Boverket (2009) en DVUT på - 9,4 ˚C. I enighet med FEBY:s rekommendat-ioner så anges DIT till 21 ˚C.
4.4.3 Ventilation och värmeåtervinning
Ventilationens värmeåtervinningsgrad sätts till 70 %, vilket är ett börkrav enligt FEBY 12. Samtidigt så är värmeåtervinningen inställd på att upphöra när utomhustemperaturen når över 17 ˚C, detta för att motverka förekomst av övertemperatur. Antalet luftomsättningar anges till 0,5 oms/h, vilket följer Boverkets krav. Ventilationen anges vara konstant.
4.4.4 Solavskärmningsfaktor
Solavskärmningsfaktor för fönster ska enligt Sveby (2012) väljas till 0,5. Värdet är uppskattat och gäller för alla väderstreck. Solinstrålningen som transmitteras genom fönstret reduceras ytterligare av själva fönsterglaset (Sveby, 2012), vilket redovisas i tabell 4.6.
Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec
Lägsta medeltemperatur -3 -3 -1 2 7 11 13 12 10 7 3 -1 Högsta medeltemperatur 2 2 5 10 16 20 21 21 17 12 7 4
