Beräkning av förekomst av utvändig kondens på energieffektiva fönster

(1)

Bertil Jonsson

Beräkning av förekomst av

utvändig kondens på

energieffektiva fönster

SP AR 1999:40 Byggnadsfysik Borås 1999

(2)

Innehållsförteckning

Innehållsförteckning 2 Sammanfattning 3 Inledning 4

1 Utvändig kondens 5

2 Beräkningar av utvändig kondens 6 3 Förekomst av utvändig kondens 7

3.1 Årsvariation 7

3.2 Månadsvariation 9

4 Fördelning under dygnet 10

5 Årssumma 11

6 Konklusioner 14

Bilagor:

Modell för värmebalansen vid yttre glaset 15 Vinkelkoefficient – avskärmningsfaktor för himmel 16

(3)

Sammanfattning

Den utvändiga kondensen uppträder då yttemperaturen för det utvändiga glaset sjunker under lufttemperatur och under luftens daggpunkt. Detta inträffar under klara nätter då utstrålning från fönstret mot himlen är stor, på grund av himmelvalvets låga temperatur. Kondens inträffar då glasets temperatur är lägre än luftens daggpunkt. Generellt är om-fattningen av kondensen beroende av omgivning, byggnad och klimat.

Beräkningar av kondensförekomst har skett med klimatdata för Stockholm främst för året 1990 men även för åren 1988, 1989, 1991 och 1992. För jämförelse mellan åren 1988-1992 har antalet kondenstimmar (totalt och dagtid) beräknats för ett specifikt fall för U-värde och avskärmningsfaktor mot himmel.

Fördelning av kondenstimmarna över årets månader har illustrerats för tre olika U-vär-den. Fördelningen av antalet kondenstimmar under dygnets 24 timmar har beräknats för några utvalda kombinationer på U-värde och avskärmningsfaktor. För år 1990 Stockholm har beräkningar av antalet kondenstimmar (totalt och dagtid) utförts med varierande U-värde (0,7-1,4 W/(m²K)) och avskärmningsfaktor (0,25-0,50).

Beräkningarna visar bland annat att;

• antalet kondensfall och fördelningen varierar starkt mellan olika år

• kondensen uppstår främst under dygnets första timmar och minskar snabbt på morgon/förmiddag

• antalet kondensfall ökar med sjunkande U-värde. Det finns inget generellt minimi-värde då kondensen helt upphör

• de flesta kondensfallen inträffar under hösten

(4)

Inledning

Värmeförlusterna genom fönster utgör en betydande del av en byggnads totala upp-värmningsenergi, t ex för en villa är andelen ca 15-20 %. Då energibesparingspotentialen således är betydande, är det angeläget att befrämja en utveckling av fönster med bättre isolerande egenskaper. Olika funktionskrav angående värmeisolering, täthet, hållfasthet, ljud etc har ställts upp så att bra energieffektiva fönster (det vill säga fönster med mycket goda värmeisolerande egenskaper) kan utvecklas. Produktutveckling av bättre

värmeisolerande glas och glaspaket har varit intensiv. Genom att utnyttja allt bättre lågemissionsbeläggningar tillsammans med någon typ av ädelgas så har glasdelens värmeisolerande egenskaper förbättrats markant under de senaste åren. Värden för värmegenomgångskoefficienten (U-värdet) har för glasdelen förändrats från ca 3 W/(m²K) (”vanligt” 2-glas) till ca 1 W/(m²K) eller lägre under en 25-årsperiod.

Emellertid kan låga U-värden på glasdelen medföra kondens på den utvändiga glasytan under vissa speciella klimatförhållanden. Den utvändiga kondensen, som är ett bevis på att fönstret har låga U-värden (bra värmeisoleringsförmåga), medför inga olägenheter för fönstrets beständighet då fönstret är skyddat eller behandlat för att motstå regn.

Olägenheter uppstår om hela eller stora delar av glasytan är täckt med utvändig kondens, vilket försämrar glasets genomsynlighet. Om kondens uppstår på en glasyta medför detta att ljuset genom kondensskiktet kommer att spridas i olika riktningar (diffuserat ljus) vilket gör att bildintrycket försvinner. Graden av olägenhet är beroende av omfattningen av kondens, när den inträffar samt de boendes toleransnivå för kondensen.

(5)

1 Utvändig

kondens

Den utvändiga kondensen uppträder då yttemperaturen för det utvändiga glaset sjunker under lufttemperatur och under luftens daggpunkt. Detta inträffar under klara nätter då utstrålningen från fönstret mot himmelen är stor, på grund av himmelvalvets låga tempe-ratur. Utstrålningen kan vara så stor att glaset blir avkylt till lägre temperatur än luft-temperaturen.

För att kondens skall inträffa krävs dessutom att luftens fuktighet (relativa fuktighet) skall vara så hög att glasets temperatur är lägre än luftens daggpunkt. Då det är den klara natthimmelen som medför den stora utstrålningen så kommer huvuddelen av kondens-fallen att inträffa under den mörka delen av dygnet. Hur snabbt kondensen sedan för-svinner under dagen är beroende av klimatförhållanden, t ex temperatur, solstrålning, vindhastighet.

Generellt kan följande faktorer medföra att omfattningen av utvändig kondens blir större

omgivning - avskärmning mot himmel genom bebyggelse och vegetation är liten

byggnad - avskärmning mot himmel genom taksprång, inbyggnad eller dylikt är liten

- lågt U-värde för glasdelen på fönstret

- fönsterlutning, utstrålning ökar om fönstret alltmer vänds mot himmelen (takfönster)

klimat - klar himmel

- hög relativ fuktighet för uteluft

- låg vindhastighet

- liten temperaturskillnad mellan ute- och inneluft

För att utvändig kondens över huvud taget skall uppstå krävs en viss klimattyp; klar himmel med tillräckligt hög relativ fuktighet. Förekomsten ökar för vindskyddade lägen eller för låga vindhastigheter. Den ordinarie värmeförlusten genom fönstret värmer upp det yttre glaset, därigenom blir förekomsten större under den varma årstiden.

Graden av avskärmning är av stor betydelse för omfattningen av utvändig kondens. Spe-ciellt takfönster ”ser” en stor del av himmelen och har därför större förekomst av kondens än fönster i vägg.

Då det är en samvariation mellan omgivning, byggnad och klimat som styr förekomsten av utvändig kondens, är det ej möjligt att i generella termer precisera antalet kondensfall. Att sätta upp minimigränser för U-värdet är heller ingen garanti för att helt eliminera kondensen. Det enda man kan säga är, väljs ett högre U-värde minskar förekomsten av utvändig kondens. Denna minskning kan bli liten eller marginell om fönstret har en stor avskärmning mot himmel och/eller ett gynnsamt klimat med generellt låg nivå för kondensförekomst.

(6)

2 Beräkningar av utvändig kondens

Beräkningarna har genomförts enligt en modell som är beskriven i bilaga 1 och mer in-gående i SP Rapport 1995:01. Då avskärmningen mot himmelen är av väsentlig bety-delse, så har definitionen av denna egenskap förklarats mer ingående i bilaga 2.

Såsom indata för beräkningarna har klimatdata från SMHI utnyttjats. Därvid har värden för utetemperatur, relativ fuktighet, långvågig strålning och vindhastighet för varje timme erhållits.

Vid beräkningarna har värden för Stockholm under året 1990 främst utnyttjats men även åren 1988, 1989, 1991 och 1992 har kontrollerats.

Då olägenheter främst uppstår vid kondens på glaset, har beräkningarna genomförts för glasdelen, redovisade U-värden avser sålunda denna del.

Beräkningarna har genomförts för dels totala antalet kondenstimmar, dels antalet kon-denstimmar under dagtid. Såsom dagtid har valts ett fast tidsintervall (kl 7.00-19.00), som delvis speglar både den normala arbetstiden och den ljusa dygnsdelen. Detta intervall har använts genomgående under året, ingen ändring har skett för sommartid.

(7)

3 Förekomst av utvändig kondens

3.1 Årsvariation

För denna typ av beräkningar är det nödvändigt att välja ett existerande år. Vid en

medelvärdesbildning av flera år skapas ett falskt ”normalår”, med borttagna extremvärden och utdämpande klimatsvängningar, beräkning av förekomst av kondens kommer därmed att bli felaktig.

Då klimatet varierar starkt från år till år kommer även beräkningsresultat att variera mellan åren. Jämförelser inom ett år (med samma klimatdata) för olika förhållanden på t ex U-värde eller avskärmningsfaktor mot himmel ger emellertid korrekta relativa skill-nader. För att kontrollera om de valda klimatvärdena för Stockholm 1988-1992 uppvisar några extrema förhållanden, gjordes först en jämförande beräkning för dessa år. Av dessa år utvaldes 1990 såsom relativt ”typiskt” för Stockholmsklimatet.

I figur 1 och 2 redovisas det totala antalet kondenstimmar samt antalet kondenstimmar under dagtid (kl 7.00-19.00) för åren 1988-1992. För att förenkla jämförelse har ett spe-cifikt fall med Uglas = 1,0 W/(m²K) och F = 0,5 redovisats nedan. Antalet kondenstimmar blir;

Tabell 1 Antalet kondenstimmar under 1988-1992

Kondenstimmar År Totalt Dagtid 1988 403 41 1989 450 101 1990 435 63 1991 400 39 1992 242 26

Det framgår av beräkningarna att åren 1989 och 1992 avviker markant från de övriga gällande antal kondenstimmar och dess fördelning. Utav de tre återstående åren har året med flest kondenstimmar valts ut, såsom representant för ett relativt svårt år ur kondens-synpunkt, men ej något extremår.

(8)

Figur 1 Totala antalet kondenstimmar för olika år

Figur 2 Antal kondenstimmar för olika år 0 20 40 60 80 100 120

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

Månad A n ta l kondenst immar ) to ta lt ) 1988 1989 1990 1991 1992 U=1,0 F=0,5 0 10 20 30 40 50 60

Antal kondenstimmar (dag)

Månad 1988 1989 1990 1991 1992 U=1,0 F=0,5

(9)

3.2 Månadsvariation

Fördelningen av kondenstimmarna över månaderna för år 1990 Stockholm har illustrerats för tre olika U-värden 0,8, 1,0 och 1,3 W/(m²K) och ingen avskärmning mot himmel (F = 0,5) i figur 3 och 4. I figurerna kan studeras hur kondensfallen ökar vid val av ett lägre Uglas-värde, t ex vid ändring av Uglas-värdet från 1,3 till 1,0 är ökningen av totala antalet

kondenstimmar i april 34 st (55-21). För de studerade åren inträffar oftast de flesta kondensfallen under höstmånaderna augusti, september, oktober och till en del under april, juli. Men variationerna mellan åren är emellertid stora, så en viss försiktighet av alltför generella slutsatser måste tas. Av figurerna framgår att antalet kondenstimmar ökar olika vid ändring av Uglas-värdet, månaden augusti ökar bara lite medan oktober får en

kraftig ökning. Antalet kondenstimmar under dagtid är flest under höstmånaderna september-november och med mycket få fall under maj, juni, juli.

Figur 3 Totala antalet kondenstimmar fördelade per månad

Figur 4 Antalet kondenstimmar (dagtid) fördelade per månad 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Månad Ant a let kondenst immar ( to ta lt ) U=0,8 U=1 U=1,3 F=0,5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Månad

Antalet kondenstimmar (dag)

U=0,8 U=1 U=1,3 F=0,5

(10)

4 Fördelning under dygnet

Antalet kondenstimmar för årets alla månader har fördelats på dygnets 24 timmar, i figur 5 har Uglas-värdet varierats (F = 0,5) och i figur 6 har avskärmningen mot himmelen

varierats (Uglas = 1,0). Av båda figurerna framgår det stora antalet fall under dygnets första timmar, för att avklinga snabbt efter cirka kl 6.00. Vid ändring av Uglas-värdet eller

F-värdet sker den huvudsakliga ökningen för timmar utanför dagtid (kl 7.00-19.00). För dagtid är det speciellt kl 7.00 och 8.00 som får en tydlig ökning, mitt på dagen är antalet fall obetydligt.

Figur 5 Totala antalet kondenstimmar fördelade på dygnets timmar

Figur 6 Totala antalet kondenstimmar fördelade på dygnets timmar 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Timme Anta l k onde ns timma r (tota lt) U=0,8 U=1 U=1,3

F=0,5

0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Timme

Antalet kondenstimmar (totalt)

F=0,5 F=0,45 F=0,4 F=0,35 U=1,0

(11)

5 Årssumma

Vid beräkning av antalet kondenstimmar har Uglas-värdet varierats mellan 0,7 och 1,4

W/(m²K) och avskärmningsfaktorn mot himmelen (F) mellan 0,25 och 0,50. Dessa vär-den innebär att himmelen är till hälften avskärmad och helt oskärmad, för lägre F-värvär-den har beräkningar inte genomförts på grund av få kondensfall.

I figur 7 kan studeras den totala bilden för varierande Uglas-värde och F-värde. Där

fram-går tydligt den generella tendensen att lägre Uglas-värde eller högre F-värde medför fler

kondenstimmar. Även vid Uglas-värden på 1,4 W/(m²K) kan medföra kondensfall.

I figur 8 kan antalet kondensfall under dagtid studeras. Samma principiella bild som för totala antalet kan iakttas men på en avsevärt lägre nivå.

För att lättare kunna interpolera mellan de olika fallen har figur 9 inkluderats, figuren innehåller annars samma information som figur 7.

I tabell 2-3 finns fallen redovisade. Dessutom redovisas hur stor andel som totala antalet kondenstimmar utgör av årets timmar samt andelen av kondenstimmar under dagtid av årets dagtimmar (kl 7.00-19.00).

Såsom tidigare har nämnts påverkas omfattningen även av vindhastigheten, det vill säga om fönstret ligger exponerat eller i lä. Beräkningar för U = 1,0 och F = 0,5 visade att fönster i lä erhöll cirka 15 % fler kondenstimmar både totalt och dagtid.

Figur 7 Totala antalet kondenstimmar såsom funktion av U-värde och avskärm-ningsfaktor 0 100 200 300 400 500 600 700 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 U-värde , W/(m²K)

Antal kondenstimmar (totalt)

F=0,25 F=0,30 F=0,35 F=0,40 F=0,45 F=0,50

(12)

Figur 8 Antalet kondenstimmar (dagtid) såsom funktion av U-värde och avskärm-ningsfaktor

Figur 9 Totala antalet kondenstimmar såsom funktion av U-värde och avskärm-ningsfaktor 0 20 40 60 80 100 120 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 U-värde , W/(m²K)

Antal kondenstimmar (dag)

F=0,25 F=0,30 F=0,35 F=0,40 F=0,45 F=0,50 0 100 200 300 400 500 600 700 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 U-värde , W/(m²K) Antal timmar F=0,25 F=0,30 F=0,35 F=0,40 F=0,45 F=0,50

(13)

Tabell 2 Totala antalet kondenstimmar samt deras andel (%) av totala antalet timmar per år U-värde (glas), W/(m²K) 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Avskärm- ningsfak-tor Antal,

tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim %

F = 0,25 22 0,3 11 0,1 6 0,1 3 0,0 2 0,0 1 0,0 1 0,0 1 0,0 F = 0,30 101 1,2 48 0,5 22 0,3 13 0,1 6 0,1 3 0,0 2 0,0 1 0,0 F = 0,35 264 3,0 172 2,0 95 1,1 46 0,5 26 0,3 16 0,2 9 0,1 4 0,0 F = 0,40 409 4,7 323 3,7 255 2,9 165 1,9 103 1,2 53 0,6 28 0,3 19 0,2 F = 0,45 529 6,0 469 5,4 376 4,3 305 3,5 231 2,6 163 1,9 109 1,2 67 0,8 F = 0,50 621 7,1 569 6,5 504 5,8 435 5,0 361 4,1 296 3,4 218 2,5 164 1,9

Tabell 3 Antalet kondenstimmar (dagtid) samt deras andel (5) av totala antalet dagtimmar per år U-värde (glas), W/(m²K) 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Avskärm- ningsfak-tor _Antal,

tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim % Antal, tim %

F = 0,25 2 0,0 2 0,0 2 0,0 0 0,0 0 0,0 0 0,0 0 0,0 0 0,0 F = 0,30 11 0,2 6 0,1 2 0,0 2 0,0 2 0,0 0 0,0 0 0,0 0 0,0 F = 0,35 30 0,6 17 0,4 9 0,2 5 0,1 2 0,0 2 0,0 2 0,0 0 0,0 F = 0,40 64 1,3 40 0,8 27 0,6 15 0,3 7 0,1 3 0,1 2 0,0 2 0,0 F = 0,45 93 2,0 77 1,6 47 1,0 31 0,7 21 0,4 15 0,3 8 0,2 2 0,0 F = 0,50 117 2,5 98 2,1 80 1,7 63 1,3 42 0,9 28 0,6 20 0,4 15 0,3

(14)

6 Konklusioner

• Antalet kondensfall och deras fördelning varierar starkt mellan olika år, det är svårt att peka ut ett normalår.

• De flesta kondensfallen inträffar under höstmånaderna augusti, september, oktober. • Mycket få fall av kondens under dagtid uppstår under sommaren.

• Kondensen uppstår främst under dygnets första timmar och minskar snabbt efter cirka kl 6.00.

• Fönster i skyddade lägen (med låga vindhastigheter) kan få fler kondensfall.

• Förekomst av utvändig kondens styrs av en samvariation mellan omgivning, byggnad och klimat.

• Antalet kondensfall kommer att kontinuerligt ändras vid varierande värden på glasets värmeisolering eller fönstrets avskärmning mot himmel. Den allmänna tendensen är att antalet kondensfall ökar med lägre U-värden men kondensen upphör inte vid ett givet gränsvärde. Generella minimigränser för U-värde är därför svåra att ange. För att helt eliminera kondens måste relativt höga U-värden väljas.

• Ju mer himmel som fönstren ”ser”, desto större kommer den långvågiga utstrålningen mot himmelen att vara. Därmed kommer antalet kondensfall att öka vid ökande värden på avskärmningsfaktorn (F). Takfönster får fler kondensfall än fönster i vägg.

(15)

Modell för värmebalansen vid yttre glaset

Med hjälp av klimatdata såsom utelufttemperatur, vindhastighet och långvågig strålning kan, för en känd fönsterkonstruktion i en byggnad, yttemperaturen för det yttre glaset beräknas. Det krävs då kännedom om fönstrets U-värde (värmegenomgångskoefficient), inneluftens temperatur samt avskärmningsfaktor för himmel (se bilaga 2).

Om den relativa fuktigheten är känd kan daggpunkten beräknas. Genom att kontrollera om yttemperaturen är mindre än daggpunkten kan en bedömning av förekomsten av ut-vändig kondens göras.

Den utvändiga yttemperaturen bestäms genom att värmebalansen vid det yttre glaset be-skrivs. I SP Rapport 1995:01 har mer ingående den teoretiska bakgrunden beskrivits. Vid stationärt värmeflöde är värmeflödet genom glaset till ytterrutan lika stort som vär-meflödet genom konvektion och strålning från ytterglas till omgivande luft eller ytor.

Om enbart strålningsutbytet mellan fönster och himmel behandlas (övriga strålningsbi-drag antas ha ett försumbart bistrålningsbi-drag), så kan yttemperaturen för det yttre glaset beräknas genom följande uttryck;

(

)

(

)

(

)

(

F

)

T T

(

A Bv

)

T T F , U , U Bv A T T F T T F , U , U e se a se glas glas e e e se a a se i glas glas se + +               + − +       + ⋅ ⋅ + ⋅ − + +               + − +       + ⋅ ⋅ + ⋅ − = − − 3 3 7 3 3 7 2 1 2 10 904 1 04 0 1 2 1 2 10 904 1 04 0 1 ϑ ϑ ϑ ϑ ϑ

där ϑse = yttre glasets temperatur, °C ϑi = lufttemperatur inne, °C

ϑe, Te = lufttemperatur ute, °C respektive K

ϑa, Ta = temperatur för himmel, °C respektive K

Uglas = U-värde för glasdelen, W/(m²K) F = avskärmningsfaktor för himmel

v = vindhastighet, m/s

A, B = konstanter (föreslagna uttryck enligt ISO/DIS 15099 har använts)

Partialtryckskurvan, som beskriver hur vattenångans mättnadstryck förändras med tem-peraturen anges i DIN 4108. Därigenom kan daggpunkten för ytterglaset beräknas enligt

-20 < ϑse < 0 °C ϑdagg = RH1/12,3 (148,6 + ϑse) – 148,6 0 < ϑse < 30 °C ϑdagg = RH1/8,02 (109,8 + ϑse) – 109,8 där ϑdagg = daggpunkt för det yttre glaset, °C

ϑe = yttemperatur för det yttre glaset, °C RH = relativ fuktighet (Pa/Pa)

(16)

Vinkelkoefficient – avskärmningsfaktor för himmel

Vinkelkoefficienten (F) vid strålning används för att beräkna strålningen mellan två ytor. För ett fönster kan de motstrålande ytorna utgöras av himmel, mark, omkringliggande bebyggelse, vegetation eller avskärmning från den egna byggnaden såsom takfot,

fönsterfals eller dylikt. Fönster ”ser” dessa omkringliggande ytor. Vinkelkoefficient är ett sätt att tala om hur stor andel en yta utgörs av den totala omgivande ytan. För ett helt oskärmat horisontellt fönster (takfönster) utgörs himmelen av den enda motstrålande ytan, därigenom blir vinkelfaktorn F = 1. Ett oskärmat fönster i en vägg med fri horisont delar upp den motstrålande ytan i två halvor, himmel och mark. Vinkelfaktorn för himmel eller mark blir F = 0,5. Skyms himmelen sedan av bebyggelse eller vegetation blir faktorn lägre. Är halva himmelen skymd kommer vinkelfaktorn att reduceras till 0,25. Av de omgivande ytorna sett från fönstret utgörs himmelen av en fjärdedel (se figur).

Figur Vinkelkoefficient för strålning mellan fönster och omgivning

F = 1 halvsfären

F = 0,5 halv halvsfär (kvartssfär)

F = 0,25 halva himmelen avskärmad (1/8-dels sfär)

I denna rapport utnyttjas vinkelkoefficienten för att ange hur stor andel av himmelen som är avskärmad för strålning mot fönstret. För att bättre illustrera detta samband har i denna rapport begreppet ”avskärmningsfaktor för himmel” använts istället för vinkelkoefficient.

F=0,5 F=0,25

Mark Himmel