Energieffektivitet Hos Dubbelskalsfasader
- En jämförande studie mellan olika fasadalternativ på
kontorsbyggnader i Sverige.
Anders Persson 830402 3552 BT 06 Maj 2009
Abstract
Since several years climate change has become one of the big challenges for mankind. Because of this we now have to deal with harder demands on energy use for buildings. Companies are continuing to build glazed office buildings all over the world, despite the fact that glazed buildings have higher energy use than a traditional façade building with standard sized windows. An alternative method for glass façade is to lower the energy by improving the glazed façade with additional skin i.e. two skins with shading devices in between. These types of facades are called double skin facades and in this report studies are being done on how energy effective this type of facade system is.
To be able to make a judgment of the energy effectiveness for the façade type, a building model has to be created. This is done with a computer program called IDA ICE 3.0. In the simulations of the building the southern façade is replaced with different types of single and double skin glazed alternatives. All the system inside the building remains as it is so a conclusion can be drawn on the facade systems alone.
Results from the simulations show that it is possible to improve the glazed facades energy use by building a double skin facade. But even if the performance is improved, it’s never going to be as god as a regular façade with standard size windows. Because of this the best way to construct a building is to build with conventional methods. But if other aspects than low energy use are considered which lead to a construction with a glazed façade, the double skin façade is a good alternative
The results also show on great differences between different types of double skin facades. Because of this it is very important to do a careful analysis before a façade type is chosen. A secondary purpose was to research if a person with no experience in simulation tools can create such a complex building model in IDA ICE as a double skin façade building. And still get reliable result out of it.
After my work in IDA ICE I must say that it is possible to make these kinds of simulations and reach good results without any specific prior knowledge of IDA ICE or simulations of double skin facades. To create a model with double skin facades you must have a module to the program that I got from the producers. Without this module it would have been impossible for a person with my knowledge to make these kinds of simulations.
1 Inledning ... 7
1.1 Bakgrund ... 8
1.1.1 Krav på byggnaders energianvändning ... 8
1.2 Syfte och Mål ... 9
1.3 Kort metodbeskrivning ... 9
2 Allmänt om kontorsbyggnader i glas ... 10
2.1 Vad är ett glaskontor ... 10
2.2 Varför byggs glaskontor? ... 10
2.3 Energi, Dagsljus och inneklimat ... 11
2.4 För och nackdelar med glasfasader ... 12
3 Dubbelskalsfasadens konstruktion ... 14
3.1 Ingående delar ... 14
3.2 Konstruktionsprinciper ... 14
3.2.1 Avgränsning av luftspalten ... 14
3.2.2 Ventilations metod av luftspalten ... 17
4 Inneklimat ... 18
4.1 Termisk komfort ... 18
4.1.1 Temperatur och strålning ... 18
4.1.2 Relativ luftfuktighet ... 19
4.1.3 Lufthastighet och turbulens... 19
4.1.4 Kläder ... 19
4.1.5 Uppfattat termiskt inneklimat ... 19
4.1.6 Asymmetri hos omgivningen ... 20
4.1.7 Riktvärden ... 20
5 Metod ... 21
5.1 Beräkningsverktyg ... 21
5.1.1 IDA ICE 3.0 ... 22
5.2 Vad simuleras ... 24
5.3 Avgränsningar och Förenklingar i modellen ... 25
5.3.1 Avgränsningar ... 25 5.3.2 Förenklingar ... 26 5.4 Fasadtyper ... 26 5.4.1 Referensfasad standard ... 27 5.4.2 Referensfasad Glasfasad ... 27 5.4.3 Dubbelskalsfasader ... 27
6 Ingångsdata till simulering ... 29
6.1 Fönster ... 29 6.1.1 Standardfasad ... 29 6.1.2 Referensfasad Glasfasad ... 29 6.1.3 dubbelskalsfasad ... 30 6.2 Laster ... 31 6.2.1 Personer ... 31 6.2.2 Belysning ... 32 6.2.3 Elektrisk utrustning ... 32
6.2.4 Möbler ... 33 6.3 Ventilation ... 33 6.3.1 Luftflöden ... 33 6.3.2 Luftbehandlingsaggregat ... 34 6.4 Värme/Kyla ... 35 6.4.1 Temperaturstyrning av tilluften ... 35 6.4.2 Värme/kylsystem ... 35
7 Resultat och diskussion ... 37
7.1 Referensfasader ... 37 7.1.1 Energianvändning ... 37 7.1.2 Inneklimat ... 39 7.2 Dubbelskalsfasader ... 45 7.2.1 Energianvändning ... 45 7.2.2 Inneklimat ... 48 7.3 Skärpta krav ... 52 8 Slutsats ... 55 9 Referenser ... 57 9.1 Rapporter ... 57 9.2 Muntliga Källor ... 57
Förord
Denna rapport är resultatet av ett 15 poängs examensarbete, utfört under vårterminen 2009, som avslutning på högskoleingenjörsprogrammet Byggteknik vid Malmö högskola.
Jag skulle vilja rikta ett stort tack till de personer som varit till hjälp under arbetets gång.
Åke Blomsterberg För Handledning och allmän hjälp
LTH
Andreea Calotescu För ovärderlig hjälp beträffande IDA ICE Skanska Teknik
Bengt Hellström För hjälp med dubbelskals modell i IDA ICE
LTH
Per Sahlin och övrig personal För lån av IDA ICE på EQUA
Christer Assarson För dimensionering av fläktsystem och ett tålmodigt Fläktwoods bemötande trots en beställare som varken visste vad
6
Sammanfattning
De senaste åren har klimatförändringar kommit att bli en av mänsklighetens stora utmaningar. Till följd av detta så har hårdare krav införts på byggnaders energianvändning. Detta till trots så fortsätter kontorsbyggnader att byggas med glasfasader. Fast att de har erkänt sämre energieffektivitet än en vanlig fasad med låg glasandel. En alternativ metod där man behåller fördelarna med glaset samtidigt som det skärs ned på energianvändningen är att bygga glasfasaden i två skal med solavskärmning däremellan. Dessa fasader benämns
dubbelskalfasader och i denna rapport ska studier utföras där deras energieffektivitet bedöms. För att bedöma energieffektiviteten så byggs en datormodell av en kontorsbyggnad upp som sen simuleras i energiberäkningsprogrammet IDA ICE 3.0. På modellen kommer sedan söderfasaden att bytas från en standard fasad till olika typer av fasader både vad gäller vanliga glasfasader och dubbelskalsfasader. Alla övriga system kommer att behålla sina inställningar för att en bedömning av enbart fasadtyperna ska kunna ske.
Resultaten från simuleringarna visar att det går att förbättra glasfasadernas energianvändning genom att bygga med en dubbelskalsfasad. Det går dock inte att komma ner i samma nivå som en fasad med låg glasandel. Ur ren energisynpunkt så är det därför bäst att bygga med konventionella metoder. Men om andra aspekter vägs in så att det ändå byggs med glas så är dubbelskalsfasaden ett bra alternativ.
Resultaten visar också på stora skillnader mellan olika typer av dubbelskalsfasader så det är viktigt att göra en noggrann projektering innan en typ av fasad väljs.
Ett sekundärt syfte var att se om en nybörjare utan särskilda kunskaper inom
simuleringsverktyg skulle klara av att bygga upp ett komplext system med dubbelskalsfasader och nå rimliga resultat.
Efter att ha arbetat i IDA så måste jag säga att det går att simulera de flesta byggnader med rimliga resultat utan specifika kunskaper. När det gäller dubbelskalsfasader så krävs det dock en specifik modul som jag har fått låna från tillverkarna av programmet. Utan den skulle en nybörjare inte klara av simuleringarna.
7
1 Inledning
I juli 2006 trädde BBR:s nya regler angående energianvändning i kraft. De nya reglerna innebär en hårdare gräns för energianvändning per m2 samt en hårdare kontroll av uppförda byggnader. Trots detta så fortsätts det att byggas glasbyggnader i Sverige och över hela världen trots att deras energieffektivitet ofta har ifrågasatts.
Glasbyggnader uppförs av framförallt tre anledningar (Poirazis, 2008).
1. Det finns en ökande tendens hos arkitekter att använda stora glasareor på fasader, framförallt för att få en bättre in- och utblick samt mer tillgång till dagsljus.
2. Användarna gillar ofta tanken på ökad glasarea eftersom det innebär bättre utsikt men även ett mer behagligt inneklimat.
3. Företag anser att de får en inbjudande profil i en glasbyggnad som visar på öppenhet. Frågan är då om det går att uppföra byggnader med glasfasad med ett behagligt inneklimat samtidigt som en låg energianvändning erhålls. En lösning på problemet kan vara
dubbelskalsfasaden som i Europa, framförallt i Tyskland, har varit på frammarsch de senaste 15 åren. (BESTFACADE, 2008)
I detta arbete kommer energieffektiviteten att undersökas hos en kontorsbyggnad med 3 olika konstruktions utförande av dubbelskalsfasader. Dessa kommer sedan att jämföras med
1.1 Bakgrund
1.1.1 Krav på byggnaders energianvändning
I den senaste utgåvan av BBR 2008 så bedöms
har gjorts tidigare nämligen genom krav på byggnadens specifika energianvändning. Vilket definieras som:
Andra definitioner som anges i BBR:
ATemp:Den area i en byggnad som medvetet värms upp t
innerväggar, öppningar för trappa, schakt och dylikt inräknas. Area för garage inom byggnaden, i bostadshus eller annan lokalbyggnad än garage
Byggnadens energianvändning:
vid normalt brukande, under ett normalår behöver levereras till byggnaden för uppvärmning, komfortkyla, tappvarmvatten och byggnadens fastighetsenergi.
Byggnadens fastighetsenergi:
och där apparaten finns i anslutning till byggnaden. Här ingår fast belysning i allmänna utrymmen och driftsutrymmen. Dessutom ingår energin som används i värmekablar, pumpar, fläktar, motorer, styr- och övervakningsutrustning och dylikt.
Klimatzon I, II och III: Klimatzon ett innefattar Norrbottens, Västerbottens och Jämtlands län. Zon två innefattar Västernorrlands, Gävleborgs, Dalarnas och Värmland
tar allt i söder närmare bestämt Västra Götalands, Jönköpings, Kronob
Östergötlands, Södermanlands, Örebro, Västmanlands, Stockholms, Uppsala, Skåne, Hallands, Blekinge och Gotlands län.
BBR innehåller både krav på bostäder och lokaler i detta arbete redovisas enbart lokalkraven eftersom enbart kontorsbyggnad
uppvärmningssätt än elvärme kan ses i
Krav på byggnaders energianvändning
I den senaste utgåvan av BBR 2008 så bedöms energianvändandet lite annorlunda mot hur det har gjorts tidigare nämligen genom krav på byggnadens specifika energianvändning. Vilket
Andra definitioner som anges i BBR:
rea i en byggnad som medvetet värms upp till över 10°C. Area som upptas av innerväggar, öppningar för trappa, schakt och dylikt inräknas. Area för garage inom
i bostadshus eller annan lokalbyggnad än garage, räknas inte in.
Byggnadens energianvändning: Benämns ofta som köpt energi och är den mängd energi som vid normalt brukande, under ett normalår behöver levereras till byggnaden för uppvärmning, komfortkyla, tappvarmvatten och byggnadens fastighetsenergi.
Den del av fastighetselen som används till by
och där apparaten finns i anslutning till byggnaden. Här ingår fast belysning i allmänna utrymmen och driftsutrymmen. Dessutom ingår energin som används i värmekablar, pumpar,
och övervakningsutrustning och dylikt.
Klimatzon ett innefattar Norrbottens, Västerbottens och Jämtlands län. Zon två innefattar Västernorrlands, Gävleborgs, Dalarnas och Värmlands län. Medans Zon tre
i söder närmare bestämt Västra Götalands, Jönköpings, Kronobergs, Kalmar, Östergötlands, Södermanlands, Örebro, Västmanlands, Stockholms, Uppsala, Skåne, Hallands, Blekinge och Gotlands län.
BBR innehåller både krav på bostäder och lokaler i detta arbete redovisas enbart lokalkraven eftersom enbart kontorsbyggnader kommer att behandlas. Kraven för lokaler som har annat
värmningssätt än elvärme kan ses i tabell 1.1.
8 energianvändandet lite annorlunda mot hur det har gjorts tidigare nämligen genom krav på byggnadens specifika energianvändning. Vilket
ill över 10°C. Area som upptas av innerväggar, öppningar för trappa, schakt och dylikt inräknas. Area för garage inom
räknas inte in.
och är den mängd energi som vid normalt brukande, under ett normalår behöver levereras till byggnaden för uppvärmning,
Den del av fastighetselen som används till byggnadens behov och där apparaten finns i anslutning till byggnaden. Här ingår fast belysning i allmänna utrymmen och driftsutrymmen. Dessutom ingår energin som används i värmekablar, pumpar,
Klimatzon ett innefattar Norrbottens, Västerbottens och Jämtlands län. s län. Medans Zon tre ergs, Kalmar,
Östergötlands, Södermanlands, Örebro, Västmanlands, Stockholms, Uppsala, Skåne,
BBR innehåller både krav på bostäder och lokaler i detta arbete redovisas enbart lokalkraven n för lokaler som har annat
9 klimatzon I II III Byggnadens specifika energianvändning [kWh per m2 A-temp och år] 140 120 100
+ tillägg1 110(qmedel-0,35) 90(qmedel-0,35) 70(qmedel-0,35) Genomsnittlig
värmegenomgångs-koefficient [W/m2 K]
0,70 0,70 0,70
Tabell 1.1 BBR:s krav på energianvändning i lokaler (Boverket, 2008). 1
då uteluftsflödet av utökade hygieniska skäl är större än 0,35 l/s per m2 i temperaturreglerade utrymmen. Där qmedel är det genomsnittliga specifika uteluftsflödet under uppvärmningssäsongen och får högst tillgodoräknas upp till 1,00 [l/s per m2].
Förutom dessa krav så finns även krav angående verifiering av energianvändningen senast två år efter färdigställandet vilket ställer krav på energiberäkningen vilken inte bör avvika för mycket från den verkliga driften.
1.2 Syfte och Mål
Det primära syftet med rapporten är att se hur pass energieffektiv en kontorsbyggnad kan bli om den förses med en dubbelskalsfasad istället för en vanlig glasfasad. Det är dock viktigt att inte tänka enbart på energianvändningen utan först och främst utgå från att ett behagligt inneklimat erhålls. Jämförelser kommer även att ske mot en standard fasad i form av
sandwichelement av betong för att se om det överhuvudtaget är hållbar att bygga glaskontor i framtiden.
Som ett sekundärt syfte undersöks det om det som total nybörjare på programmet IDA ICE 3.0 går att simulera ett så pass komplext system som dubbelskalsfasader med godtagbara resultat.
1.3 Kort metodbeskrivning
Metoden består av att bestämma byggnadens specifika energianvändning och termiska inneklimat med hjälp av datorsimuleringar. För att göra detta byggs först en modell av ett våningsplan upp i en 5 vånings kontorsbyggnad. Här bestäms också alla indata av betydelse för inneklimatet i byggnaden i form av ventilation, värme-, kylsystem, personbelastning osv. Fasaden i söderläge kommer att bytas ut från att ha varit en vanlig fasad till en glasfasad och sedan olika utföranden av dubbelskalsfasader. Alla inställningar för invändiga system behålls för att kunna göra en jämförelse över enbart fasaderna.
Fasader har tagits fram i samråd med tillverkare och personer med kunskap om
beräkningsmodeller i IDA ICE. Det senare för att veta att programmet klarar av att göra simuleringen med rimliga resultat. Mer om modellen under kap 5 Metod.
10
2 Allmänt om kontorsbyggnader i glas
2.1 Vad är ett glaskontor
Definitionen för vad som räknas som ett glaskontor är inte självklar. En enkel utgångspunkt kan vara att glasandelen i fasadytan är betydligt större än hos en traditionell byggnad. I forskningsprojektet ”kontorsbyggnader i glas – energi och klimat” vid Lunds tekniska högskola så enades projekt och referensgruppen om att en glasandel på 30 % fönsterarea sett utifrån motsvarar en traditionell fasad. Medans ett glaskontor enligt definitionen måste ha minst 60 % glasarea (Blomsterberg, 2008). Detta kan innebära att en byggnad med
våningshöjd 3,5 m och rumshöjd 2,7 m får en fönsterbröstning på ca 0,6 m och i övrigt fönster ända upp till innertaket.
2.2 Varför byggs glaskontor?
De senaste två decennierna har glaset gått igenom en innovativ utveckling som få andra byggnadsmaterial upplevt. Det är nu en högutvecklad produkt som klarar av att användas till komplexa konstruktioner av alla möjliga slag. Allt detta har gjorts möjligt tack vare
utvecklingen av bättre fasadteknik och förbättringen av tekniska egenskaper hos glas. Det ökade intresset för glasfasader bestod till att börja med främst av att de representerade utveckling och framtid. Att glasets egenskaper kraftigt förbättrats har under senare år bidragit till nya möjligheterna att använda glas i avancerade konstruktioner vilket har bidragit till att öka frekvensen av glasbyggnader i världen(Blomsterberg, 2008).
Ser man på fasaden ur en arkitektonisk synvinkel så är tanken med moderna glasbyggnader både i Sverige och utomlands att skapa en lätt transparant byggnad med inblick och utblick, där tillgången till dagsljus är större än i mer traditionella byggnader. Arkitekten vill på detta sätt skapa en känsla av öppenhet mot omvärlden och visa att byggnaden är en del av
framtiden. Den totala transparensen verkar även inbjudande och visar på en vilja att
kommunicera. Detta leder till att stora glaskontor ofta används som profilbyggen för företag. Exempel på sådana profilbyggen är kista science tower uppfört 2002 i Stockholm, figur 2.1, samt Tyrénshuset uppfört 2002 i Malmö, figur 2.2.
11 Byggnader i glas är en gammal vision inom arkitekturen. Anledningen är och har länge varit att man vill få in det naturliga dagsljuset i byggnaden och därmed dra nytta av dess positiva inverkan på människor. Hur ljuset behandlas påverkar upplevelsen av rummet där skuggor, reflexer, bländning, ljusfärg och fördelning spelar roll. Dagsljuset påverkar dessutom människans inre klocka där mer tillgång till ljus leder till att personer i lokalen känner sig pigga och vakna istället för trötta och sömniga. Det har gjort ett flertal undersökningar om hur dagsljuset påverkar människors fysiska hälsa och prestation där resultaten visar på ökat välbefinnande vid stor tillgång på dagsljus och viceversa. Där t.ex. människor i norr lider av depressioner i större omfattning än folk bosatta vid ekvatorn (Blomsterberg, 2008). Det är inte bara bra för folk som arbetar i byggnaden att dagsljusnivån ökar utan även för miljön eftersom den installerade belysning kan minskas vilket i sin tur ger lägre elanvändning.
Bara för att en byggnads fasad har stor glasandel är det ingen garanti för att alla positiva effekter med dagsljuset tas till vara. Vilket beror på att det ofta förekommer problem med bländning när solen står lågt. Detta leder i sin tur till att solskydd dras för glasytorna som därigenom släpper in mindre ljus än en vanlig fasad med normal fönsterarea (30 %) skulle ha gjort. Dessa problem kommer inte att behandlas närmare under detta arbete istället hänvisas till (Bülow-Hübe, 2008)
På senare år har tekniken med dubbelskalsfasader börjat tillämpas på kontorsbyggnader med stora glasareor i Skandinavien. Några exempel på sådana byggnader i Sverige är Kista Science Tower, ABB-huset, Glashuset i Hammarby Sjöstad i Stockholm och WSPs nya kontor i Malmö. Syftet med dubbelskalsfasaden har i första hand varit att minska
övertemperaturer i den bakomliggande byggnaden under sommarhalvåret genom att installera en klimatskyddad persienn mellan fasaderna samt att minska transmissionsförlusterna på vinterhalvåret jämfört med enkelskalsfasader av glas (Blomsterberg, 2008).
2.3 Energi, Dagsljus och inneklimat
Oavsett om en glasfasad byggs som enkel eller dubbelskalsfasad så är den stora utmaningen att optimera energianvändningen, användningen av dagsljus, den visuella komforten och det termiska inneklimatet till en rimlig investerings- och livscykelkostnad. Även om många moderna kontorsbyggnader har en lägre energianvändning vad gäller värme än äldre byggnader så äts denna besparing ofta upp av högre elanvändning, vilket beror på hög
elanvändning för ventilation, kyla, belysning, och kontorsutrustning som behövs för att ett bra inneklimat ska uppnås (Blomsterberg, 2008).
Med allra största sannolikhet så har kontor med glasfasader en högre energianvändning än en byggnad med traditionell fönsterarea. Det finns också problem med inneklimatet som är en direkt följd av glasfasaden. Exempel på detta finns det gott om där ett klassikt problem är att värme tillförs via konvektorer under fönsterytorna för att undvika kallras samtidigt som byggnaden i övrigt förses med kyla. Det finns också stor risk att ökade problem med strålningssymmetrin eftersom hela fasaden kommer att bli en kall yta.
12 En tanke på hur energi och komfortproblemen hos glasfasader ska kunna lösas är
dubbelskalsfasaden. Framförallt så ger den lägre U-värde (värmegenomgångskoefficient) och g-värde (total solenergitransmittans). Men även bättre möjlighet till behovsanpassad styrning av solavskärmning.
2.4 För och nackdelar med glasfasader
Potentiella fördelar med en kontorsbyggnad med enkelglasfasad (jämfört med traditionella kontorshus) kan vara (Blomsterberg, 2008).
• Större tillgång till dagsljus och därmed möjlighet att den visuella miljön upplevs behagligare.
• Förbättrad möjlighet till utsikt. • En transparant byggnad
• Estetik
• Större andel gratis energi om vintern i form av solvärme.
Potentiella problem kan vara (Blomsterberg, 2008).
• Risk för övertemperatur i kontorsrummen under varma dagar. • Risk för kallras
• Höga investeringskostnader
• Rengöring och underhåll kan medföra merkostnad • Risk för hög energianvändning för kyla och värme
• Belysningsbehovet minskar inte automatiskt med ökande glasandel.
• Vid stora glasytor blir det svårt att uppfylla komfortkraven i närheten av fasaden.
Fördelar med en Dubbelskalsfasad (jämfört med en enkelskalskalsfasad) kan potentiellt vara (Blomsterberg, 2008).
• Vädring genom öppning av fönster är i stort sett oberoende av vind och väderförhållanden utanför.
• Minskat uppvärmningsbehov genom förvärmning av tilluften i dubbelskalsfasaden • Enkelt sätt att nattkyla byggnaden möjliggörs genom öppnade av fönster i den inre
fasaden
• Förbättrat inbrottsskydd tack vare två glasskikt • Bättre ljudisolering mot ute.
• Yttre solavskärmning kan användas även blåsiga dagar då den kan ligga skyddad mellan fasaderna.
13 Problem med dubbelskalsfasaden kan vara (Blomsterberg, 2008).
• Om ventilation av kontorsutrymme sker med självdrag kopplat till dubbelskalsfasaden kan otillräckliga luftflöden uppstå vid vindstilla förhållanden.
• Varma sommardagar finns det risk för övertemperaturer i samband med vädring via fönster.
• Låg solhöjd ger relativt höga kylbehov på våren och hösten.
• Vid kontorsbyggnader med ett stort djup finns det risk för låg dagsljusnivå i de centrala delarna.
• Höga investeringskostnader.
• Dubbelskalsfasaden tar upp mycket yta vilket leder till mindre kontorsyta pga. byggrättens storlek.
• Risk för överhöring via fasad mellan kontorsrum. • Rengöring leder till merkostnad.
14
3 Dubbelskalsfasadens konstruktion
3.1 Ingående delar
Ett dubbelskalsfasadsystem kan delas in i fyra olika delar Inre och yttre glasdel
Valet av glastyp för internt och externt glas beror på uppbyggnaden av själva fasaden. I fall där fasaden är ventilerad med uteluft så brukar en isolerruta placeras på insidan medans en 1-glasruta sätts på utsidan. Och om fasaden istället ventileras med inneluft så placeras isolerrutan utvändigt och 1-glasrutan på den inre sidan. För speciella fasadtyper kan den inre rutan vara öppningsbar för att tillåta manuell vädring (BESTFACADE, 2008).
Luftspalten mellan inre och yttre glasdel
Ventilationen i mellanrummet mellan inre och yttre glaset kan vara helt naturlig, totalt mekanisk eller en blandning av de båda. Bredden på mellanrummet kan variera mellan tio cm och två meter. Bredden på luftspalten påverkar de fysiska egenskaperna hos fasaden men har också inverkan på hur skötsel av fasaden fungerar.
Solavskärmning
Den vanligaste formen av solavskärmning är lameller som ofta placeras mellan glasskikten på dubbelskalsfasaden. Att man på detta sätt kan få fördelarna hos en yttre solavskärmning samtidigt som lamellerna är klimatskyddade är en av de största anledningarna till att dubbelskalsfasader byggs (Blomsterberg 2009). I valet av solavskärmning så är det viktigt att överväga olika kombinationer av fönstertyp, geometrin av luftspalten och typ av ventilation. Öppningar
Öppningar i det yttre och inre skalet ger möjlighet till ventilation av luftspalten.
3.2 Konstruktionsprinciper
Det finns många olika utföranden av ventilerade dubbelskalsfasader. Dessa kan delas in med avseende på olika kriterier (BESTFACADE, 2008).
Två av dessa kriterier är
• Avgränsning för luftspalten • Ventilations metod av luftspalten
3.2.1 Avgränsning av luftspalten
Uppdelningen av luftspalten ger information om hur den fysiska avgränsningen av luftspalten mellan de två glaspartierna ser ut. De olika lösningarna kan klassificeras som följer
15 Ventilerat dubbelfönster
Är egentligen ingen fasad utan bara ett fönster där en extra ruta har satts på in eller utsidan. Ur perspektivet med uppdelning av luftspalten så kan de ses som ett fyllnadselement i en
traditionell vägg
Dubbelskalsfasad med sammankopplade moduler I denna typ är fasaden uppbyggd av glasmoduler som sätts samman till en vägg. Luftspalten avgränsas såväl i vertikal- som horisontalled. I denna typ av fasad är luftspalten begränsad till höjden av ett våningsplan. Exempel kan ses på figur 3.1 till höger.
Dubbelskalsfasad av korridorstyp
Dubbelskalsfasaden av korridorstyp känns igen av att det är ett stort luftspaltsområde mellan glasrutorna där det oftast går att gå. I höjdled avgränsas luftspalten av varje våningsplan. Medans utsträckningen i längdled kan sträcka sig över flera kontor eller längst hela väggen. Ett exempel kan ses i figur 3.2 till vänster.
Dubbelskalsfasad med ventilationskanal
Denna fasadtyp består av samma typ av glasmoduler som för fasaden med sammankopplade moduler med skillnaden att modulerna kopplas samman med en vertikal ventilationskanal. Modulerna i sig är avgränsade i varje våning medans ventilationskanalen kan vara utsträckt över hela byggnadens höjd. Tanken bakom detta är att luften i kanalen drivs uppåt av den termiska drivkraften. Ett undertryck bildas i ventilationskanalen som därigenom suger in luft från modulerna som i sin tur förses med luft utifrån. På så sätt skapas en kraftigare ventilation utan att installera en fläkt. Principskisser över fasadtypen kan ses i figur 3.3 samt 3.4.
Figur 3.1 Dubbelskalsfasad av sammanställda moduler Figur 3.2 Dubbelskalsfasad av korridorstyp
16 Ventilerad Dubbelskalsfasad över flera våningar
I denna typ av dubbelskalsfasad så är luftspalten inte avgränsad åt något håll vilket leder till att mellanrummet mellan glasskikten är en stor volym. Normalt sett så är denna typ av fasader tillräckligt breda för att en människa ska kunna röra sig inuti den. Gallergolv installeras i varje våningsplan för att göra det enklare för rengörings- och underhållspersonal. En fördel med att luftspalten inte avgränsas är att byggnaden blir väldigt bra ljudisolerad mot externt ljud (BESTFACADE, 2008). Ett exempel på konstruktionen kan ses i Figur 3.5 till höger.
Ventilerad Dubbelskalsfasad över flera våningar med lameller
Denna fasad är uppbyggd precis som en ventilerad Dubbelskalsfasad över flera våningar med skillnaden att det yttre glasskiktet är utbytt mot ställningsbara lameller. Vilket leder till att det yttre skalet ej är lufttätt ens när lamellerna är stängda.
Figur 3.3 dubbelskalsfasad med ventilationskanal sett framifrån
Figur 3.4 dubbelskalsfasad med ventilationskanal sett ovanfrån
Figur 3.5 Ventilerad dubbelskalsfasad över flera våningar
17
3.2.2 Ventilations metod av luftspalten
En dubbelskalsfasad kan ventileras på fem olika sätt. Detta kan ses i figur 3.6. Principerna är följande.
1. Uteluftventilerad: både till och frånluftkanaler är kopplade till uteluften. 2. Inneluftventilerad: som uteluftventilerad men luften tas inifrån.
3. Intag av tilluft: byggnadens tilluft tas genom dubbelskalsfasaden för att sedan ledas vidare i ventilationskanaler. Viss uppvärmning av tilluften sker under vinterhalvåret vilket är en fördel.
4. Uttag av frånluft: Luften kommer från insidan av byggnaden och förs via
dubbelskalsfasadens luftspalt ut till uteluften. Luftcirkulationen hjälper till att hålla luftspalten varm vilket ger ökad värmeisolering av fasaden.
5. Buffertzon: Både den inre och yttre klimatskärmen är helt lufttäta vilket leder till att en buffertzon bildas mellan fasaderna. Ingen ventilation av luftspalten sker.
Figur 3.6 Olika ventilationsprinciper hos dubbelskalsfasader
Det går även att kombinera olika lösningar. I norge är det t.ex vanligt med uteluftsventilerade luftspalter där luftintagen stängs till på vinterhalvåret för att öka värmeisoleringen (Hellström, 2009). Fasaden övergår då till att vara oventilerad enligt princip 5 Buffertzon. Denna typ av fasadsystem blir även allt vanligare i Sverige (Björling, 2009) där helt uteluftventilerad tidigare har varit den klart dominerande.
18
4 Inneklimat
När energieffektiviteten hos en byggnad ska bestämmas är det alltid bäst att börja med att ta fram ett behagligt inneklimat. Detta är inte det lättaste då många variabler spelar roll och människor inte har samma uppfattning om vad som är behagligt. De olika variablerna som spelar roll kan ses i figur 4.1 nedan.
Figur 4.1 variabler för inneklimat
I denna studie kommer endast den termiska komforten att studeras noggrannare.
4.1 Termisk komfort
Den termiska komforten beror på en mängd olika faktorer. Nedan redovisas en kort beskrivning av de som är aktuella i denna studie.
4.1.1 Temperatur och strålning
Lufttemperaturen runt om en människa är den dominerande biten för det termiska intrycket men är ändå inte alltid en bra indikator på ett bra inneklimat. Beroende på att den inte tar hänsyn till strålningsenergin från omgivande ytor. Medelstrålningstemperaturen tar däremot hänsyn till strålningsenergin genom att en medelvärdesbildning görs utifrån de olika ytornas temperatur och synfaktorer. Den tar däremot ingen hänsyn till lufttemperaturen.
Den operativa temperaturen är en sammanvägning av lufttemperaturen och
medelstrålningstemperaturen. Den operativa temperaturen kommer således att bli lägre om en person står nära en kall glasruta än om hon står vid en varm innervägg. På detta sätt är den operativa temperaturen en bra indikator på rummet som helhet men om man är intresserad av ett specifikt byggelement kan det vara en idé att istället använda sig av den riktade operativa temperaturen som funkar på samma sätt men den tar enbart hänsyn till ytor på samma sida av personen som den ytan man är intresserad av. En skiss över detta kan ses i figur 4.2.
19 Figur 4.2 operativ- och direkt operativ temperatur.
4.1.2 Relativ luftfuktighet
Relativ fuktighet är ett mått på hur mycket ånga som finns i luften vid en viss temperatur i förhållande till hur mycket ånga luften kan ta upp vid samma temperatur. Den största effekten som fuktigheten påverkar är värmeförlusten när ångan kondenserar. Men den spelar också roll beroende på att kläder får ett högre fuktinnehåll vilket leder till en sämre isolerande förmåga (Poirazis, 2008). Normalt så ligger den relativa fuktigheten i en kontorsbyggnad mellan 30 % och 60 %.
4.1.3 Lufthastighet och turbulens
Vid höga temperaturer inomhus så kan ökad hastighet på luften vara en fördel för att sänka den upplevda temperaturen. Ett vanligt sätt att uppnå detta är att installera
propeller/cirkulationsfläktar. Ett problem kan då vara att ökad lufthastighet ger upphov till drag vilket orsakar dålig komfort i form av lokal nedkylning.
4.1.4 Kläder
Kläder ger isolering runt kroppen på samma sätt som en isolerad fasad ger runt en byggnad. Olika kläder ger givetvis olika isolervärde, detta mäts i clo där en clo motsvarar 0,155m2K/W. (Fanger, 1995) Beroende på klädsel kan komforttemperaturen variera med så mycket som 2-3°C.
4.1.5 Uppfattat termiskt inneklimat
Det är viktigt att ha i åtanke att termisk komfort är ett högst subjektiv värde eftersom ett klimat som är fullt acceptabelt för vissa människor är fullständigt oacceptabelt för andra. För att ändå kunna räkna på termiskt konfort så har P.O Fanger utarbetat ett system med PMV (Predicted Mean Vote) index och PPD ( Predicted Percent Dissatisfied). Detta system används både i den amerikanska ASHREA standard 55 och den Europeiska ISO standard 7730
(Poirazis, 2008). Det är därför viktigt att förstå innebörden av PMV och PPD.
PMV indexet är ett mått på termisk upplevelse, då den väger in inneklimatets parametrar och personers upplevelse av den termiska komforten. Funktionen för PMV inkluderar aktivitet, kläder, lufttemperatur, medelstrålningstemperatur, relativ lufthastighet och luftfuktighet.
20 Värdet som fås ut av funktionen ger ett förväntat medelvärde på en sju punkters upplevelse skala som kan ses nedan (Fanger, 1995).
+3 hett +2 varmt +1 något varmt 0 neutralt -1 något kallt -2 kyligt -3 kallt
PPD indexet gör en bedömning av hur stor del av antalet personer som inte är tillfredställda med det termiska klimatet, vilket innebär att de skulle ha svarat +3, +2, -2 eller -3 på sju-punktsskalan i PMV indexet. Värt att nämna är att även om det är ett optimalt klimat inomhus så kommer det ändå enligt PPD indexet finnas 5 % missnöjda. ISO 7730 säger att det är ett godkänt inneklimat om PPD hålls under 10 % (Fanger, 1995).
4.1.6 Asymmetri hos omgivningen
Även om en person känner sig termisk neutral som helhet så kan han ändå känna ett obehag om någon kroppsdel är för varm eller för kall (Poirazis, 2008). Det finns en mängd olika anledningar till att ett asymmetriskt inneklimat uppstår. Några av de vanligaste är.
• Kalla fönster • En het yta • Drag
4.1.7 Riktvärden
För att klara av att säkerställa ett bra termisk klimat någorlunda enkelt så finns det allmänna råd om temperaturer inomhus. Viktigt att påpeka är att det handlar om just råd och att det alltså inte är tvingande. I denna rapport används Socialstyrelsens allmänna råd om
temperaturer inomhus dessa presenteras i tabell 4.1 nedan (N. Blom, 2005).
Riktvärde Rekommenderande värden Lufttemperatur 20-26 °C sommartid
20-24 °C vintertid Lufttemperatur vid golv Över 18 °C Operativ temperatur 18-24 °C varaktig
18-26 °C kortvarig Strålningstemperaturskillnad Fönster - motsatt vägg Tak – golv Ej över 10 °C Ej över 5 °C
Luftens medelhastighet Ej över 0,15 m/s
Yttemperatur golv Över 16 °C 20-26 °C
21
5 Metod
5.1 Beräkningsverktyg
För att göra en detaljerad beräkning av energiåtgången i en byggnad så krävs det att man använder sig utav något av de olika beräkningsprogram som finns tillgängliga på marknaden. Vilket program som bör användas beror både på var i byggprocessen beräkningen ska göras samt hur komplex byggnaden är. För simuleringar i tidigt skede av byggprocessen så är det lämpligt att använda beräkningsprogram så som Parasol, BV2Arch och bestfacade
(Blomsterberg 2008). Anledningen till att dessa fungerar bra i detta sammanhang är att de är lätta att använda och att det på ett snabbt och enkelt sätt går det att testa olika utförandet med tillräkligt bra tillförlitlighet. De två sistnämnda programmen ger ingen möjlighet att simulera installationer och inneklimat och de har ett förenklat sätt att simulera värmebalansen för fönster (Blomsterberg 2008).
Under systemskedet och bygghandlingsskedet behövs ett dynamiskt
energisimuleringsprogram vilket innebär att det kan göra beräkningar över tid utan stationära förhållanden. För många projekt är det också en fördel om det kan hantera mer en zon (rum eller grupper av rum). Program som klarar dessa krav kan nämnas t.ex. VIP+, IDA ICE eller DEROB-LTH, VIP+ kan dock ej simulera kopplade rum. Även Parasol klarar dynamiska modeller men kan ej simulera mer en ett rum.
I detta sammanhang ställs följande krav på programmet som ska användas. Det måste vara ett dynamiskt byggnadssimuleringsprogram med följande egenskaper.
1. Användarvänligt gränssnitt 2. Klara av fler-zons beräkningar 3. Enkel modell för naturlig ventilation
4. Simulering av VVS-system typiska för kontorsbyggnader 5. Rimligt noggranna simuleringar av olika solavskärmningar
6. Möjlighet att simulera och anpassa dubbelskalsfasadmodell med validerade resultat. 7. Bra support
8. Förhållandevis spritt bland forskare och tekniska konsulter i Sverige
Programmet IDA ICE uppfyller alla ovanförnämnda krav vilket leder till att det programmet kommer att användas.
Program som VIP+ har några av ovan nämnda egenskaper men eftersom det framförallt är avsett för bostadshus så är fönstermodellsberäkningen inte tillräckligt noggrann för att göra simuleringar med glasfasader. Det finns heller ingen enkel möjlighet att simulera
22
5.1.1 IDA ICE 3.0
IDA ICE (Indoor Climate and Energy) kom ut i sin första version 1998. Då utvecklades det av Brisdata, vilka numera är omdöpta till EQUA. Utvecklingen finansierades delvis av statliga medel men även av en intressentgrupp bestående av omkring 30 olika konsultföretag i Sverige (EQUA, 2002).
IDA ICE är ett energiberäkningsprogram för simulering av energianvändning för uppvärmning, kyla, belysning etc. samt termisk komfort och luftkvalitet i byggnader. Programmet är ett dynamiskt energisimuleringsprogram som på ett detaljerat sätt tar hänsyn till värme och ventilationssystem, genom simulering av dessa. Det finns ca 400 användare av programmet framförallt i Sverige och Finland (Blomsterberg, 2008). Programmet används av förvaltare, konstruktörer, VVS-projektörer, tillverkare och forskare.
Användargränssnittet är uppdelat i tre nivåer med olika stöd och frihet för användaren. I IDA-Room som är den enklaste nivån fyller användaren i indata i ett eller flera formulär som presenteras i sekvens. Därefter kan en simulering göras direkt för en zon eller så kan filen flyttas över till nästa nivå, standardnivån. Här kan användaren i större utsträckning forma sin egen byggnad med mer än en zon. Utifrån geometri, material, regulatorinställningar,
belastning osv. Det är fortfarande meningen att en person utan omfattande simuleringskunskap ska kunna använda sig av standardläget.
På alla nivåer i IDA ICE beskrivs de matematiska modellerna med ekvationer i ett formellt språk, NMF. Det är dock först på den avancerade nivån som användaren själv arbetar direkt med ekvationerna vilket gör det möjligt att med en del kunskap skräddarsy en modell direkt efter behovet i det egna projektet.
I detta arbete kommer simuleringar att utföras i standardmodellen men vissa grejor beträffande dubbelskalsfasader kommer att göras i det avancerade läget.
I IDA ICE finns en 3D-modellerare, speciellt avsedd för byggsimulering. Med denna kan byggnader direkt beskrivas för tidiga studier på skisstadiet och i senare skeden importera färdiga 3D modeller från CAD-systemet via IFC-standard. Material och konstruktioner kan antingen importeras från CAD-modellen eller hämtas från IDAs databas där även egna material kan skapas. Modellen kompletteras med värmelaster, VVS-system, reglerstrategier och klimatdata och kan därefter simuleras under olika perioder.
Vid simulering så kan två olika modeller användas. Klimatmodellen som är en högt detaljerad fysik modell av byggnaden och dess komponenter. Klimatmodellen ger möjlighet att beräkna exempelvis operativtemperatur för olika positioner i modellen. Energimodellen är en
matematiskt enklare modell som räknar med traditionell noggrannhet dvs. med en genomsnittlig strålningstemperatur. Vilket ger kortare beräkningstider.
Efter att en simulering gjorts så presenteras resultaten som diagram och rapporter. Användaren väljer själv vilka resultat han tycker är väsentliga och vill få fram. De olika resultaten presenteras kortfattat nedan:
23 Diagram Byggnadsnivån
Temperaturer i centralaggregat: Lufttemperaturer i centralt luftaggregat Luftflöden genom centralaggregat: Luftflöden genom centralaggregat
Temperaturer i primärsystem: Temperaturer in och ut ur panna och kylmaskin Avgivna effekter i primärsystem: Värme och kyla avgiven från primärsystemet
Diagram Zonnivån
Huvudtemperaturer: Luft- och operativtemperaturer i zonen Värmebalans: Detaljerad värmebalans för zonen
Lufttemperaturer vid golv och tak: Lufttemperaturer vid golv och tak vid deplacerande ventilation (endast för Klimatmodell)
Fangers komfortindex: Fangers komfortindex, PPD, PMV Luftkvalitetsmått: Luftväxlingar, CO2-halt, fuktighet
Dagsljusnivå: Dagsljusnivå vid skrivbordet (person no. 1) (endast för Klimatmodell) Riktade operativtemperaturer Upplevd temperatur i olika riktningar (endast för Klimatmodell)
Luftflöden i zonen: Luftflöden i zonen, in/ut genom innerväggar/klimatskal och mekanisk ventilation
Luftburna värmeflöden till zonen: Luftburna värmeflöden in i zonen, genom innerväggar/ytterväggar och mekanisk ventilation
Rapporter Byggnadsnivån
Köpt energi: Total mängd energi och kostnader för köpt energi per energislag: Elektricitet, Energi för värme och kyla.
Använd energi: Detaljer om källor till använd energi: Central resp. lokal värme/kyla i zoner samt övrigt
Förlorad arbetstid: Total uppehållstid och förlorade arbetstimmar pga. över- eller undertemperatur
Gratisenergi: Gratisenergi, för byggnaden, tillförd genom klimatskalet eller genererad i zoner
Rapporter Zonnivån
Rumstemperaturer och effekter: Rumstemperaturer och komprimerad värmebalans för Simuleringens sista dygn. Använd inte för längre simuleringar.
24 På avancerad nivå kan användaren dessutom själv välja att logga valfria parametrar som då redovisas efter simuleringen. I denna rapport kommer t.ex. lufttemperaturen inne i
dubbelskalsfasaden att redovisas.
5.2 Vad simuleras
Simulering görs av en fiktiv kontorsbyggnad belägen i Malmö. Den består av fem våningar men det är endast våning 4 som kommer att vara aktiv i beräkningarna. Denna våning består av 5 kontorsrum, ett konferensrum, ett fikarum, öppet kontorslandskap för 18 personer samt utrymme för hiss. Allt detta kan ses i figur 5.1. Modellen kommer att förses med olika fasadtyper på söderfasaden medans alla övriga parametrar hålls konstanta. På så sätt kan en jämförelse ske om hur energieffektiva de olika fasadtyperna är.
Figur 5.1- Planlösning våning 4.
I beräkningsmodellen delas våningsplanet upp i 5st zoner. Dessa redovisas i tabell 5.1 nedan.
Zon Beskrivning
Kontor Alla fem kontorsutrymmena
Konferens Konferensrummet
Kontorslandskap Det öppna kontorslandskapet
Fika Fikarum med köksinredning
Trapphus Trapphus med hisschakt
Tabell 5.1 Zonindelning av våningsplan
Det är givetvis en förenkling att göra om alla de fem kontoren till en gemensam zon. Men då de ligger på motsatt sida av byggnaden i förhållande till väggen som kommer att bytas ut så har det ingen direkt inverkan på resultaten.
25
5.3 Avgränsningar och Förenklingar i modellen
5.3.1 Avgränsningar
Eftersom fasader kan byggas upp på ett oändligt antal sätt så måste ett urval göras om vad som ska simuleras. Därför kommer enbart en standardfasad att simuleras. För glasfasaderna testas tre olika glastyper och för dubbelskalsfasaden kommer tester att göras både för olika ventilationsprinciper och glastyper. Vilka glastyper som är valda går att läsa om under fasadtyper kap 5.4.
När det kommer till ventilationsprinciper så har samtal skett med såväl personal på ACC Glasrådgivare AB (Björling, 2009), Schüco (Lindström 2009), Skanska Teknik (Pär Carling, 2009) samt forskare inom energi och byggnadsdesign vid Lunds tekniska högskola
(Blomsterberg och Hellström 2009). Från samtalen så har det framgått att det förekommer tre olika typer av ventilationssystem i Sverige. Dessa är inneluftventilerad luftspalt,
uteluftventilerad luftspalt samt en oventilerad konstruktion. Där uteluftventilerad är den klart dominerande. De uteluftsventilerade fasaderna som byggs idag brukar förses med
öppningsbara spjäll istället för att ha rena öppningar. Detta för att öka energieffektiviteten genom att det går att stänga igen luftspalten på vintern och på så sätt öka temperaturen i luftspalten som därmed får en ökad isoleringseffekt. Anledningen till att det inte byggs dubbelskalsfasader av typerna 3 intag av tilluft och 4 uttag av frånluft är att det krävs en stor investering då fasaden ska integreras med byggnadens ventilationssystem (Blomsterberg 2009). Denna investering är svår att räkna hem genom minskad energianvändning.
I detta arbete kommer därför de modeller som byggs upp förses med någon av de tre typerna som används i Sverige. Fokus läggs på inne- och uteluftsventilerade. Endast en helt
oventilerad fasad kommer att simuleras där ingående glas väljs utifrån resultaten i övriga simuleringar. De uteluftsventilerade fasaderna kommer att förses med öppningsbara spjäll. Vid samtliga simuleringar så används en dubbelskalsfasad av korridorstyp då det är den konstruktionstyp som vanligen används i Sverige (Blomsterberg 2009) den lämpar sig
dessutom bra enligt den modell som byggts upp. Det som gör att det är en lämplig fasad är att modellen avgränsas till en våning vilket även fasaden av korridorstyp är. Dessutom sträcker sig kontorslandskapet över en större del av söderfasaden vilket också gör denna
dubbelskalskonstruktion lämplig.
Luftspalten kommer att utformas så att den blir 800 mm bred. Denna bredd är vald eftersom den är en vanlig bredd på den typ av fasad som simuleras. I rapporten Glasfasader
dubbelskalsfasader – krav och metoder rekommenderas en spaltbredd på ca 500-800 mm med hänsyn till ventilation och åtkomlighet (Carlsson, 2003).
När det kommer till solavskärmningen så kommer alla enkelskalsfasaderer att förses med invändiga persienner. Medan dubbelskalsfasaderna förses med lameller som ligger i
luftspalten. Anledningen till att det inte testas flera olika typer av solavskärmningar är att det krävs separata studier över hur effektivt ett solskydd är vid olika typer av glas (Poirazis,
26 2008). Eftersom inga sådana studier görs så begränsas felmarginalen genom att förse samtliga byggnader med samma typ av solavskärmning.
5.3.2 Förenklingar
I beräkningsmodellen görs en hel del förenklingar för att minska risken för onödiga fel samt hålla komplexiteten hos modellen nere för att på så sätt minska beräkningstiden. De största förenklingar punktas upp nedan. Medan en del mindre går att läsa om i kapitel 6. Ingångsdata till simulering.
• Endast våningsplan 4 simuleras. Detta leder till att inga transmissionsförluster sker via golv och tak.
• Inga köldbryggor sägs förekomma.
• Utrymmen som toaletter, serverrum och liknande bortses det helt ifrån. • Flera kontorsrum slås ihop till en zon.
• Enbart söderfasaden kommer att bytas ut vid simuleringarna. • Belysningseffekten är lika stor oavsett vilken fasadtyp som används • Energiåtgång för uppvärmning av varmvatten bortses det helt ifrån
Ingen av ovanstående förenklingar spelar någon större roll för syftet med arbetet som är att jämföra energieffektiviteten hos olika fasadtyper. Detta på grund av att samma förutsättningar kommer att gälla oavsett vilken fasad som simuleras. Jämförelse mot kraven i BBR kommer däremot inte att vara givande då förenklingarna påverkar hela byggnadens energianvändning i ganska stor utsträckning.
5.4 Fasadtyper
Fasaden i söderläge kommer att bytas ut under simuleringarna detta för att få en jämförelse av hur mycket energi en kontorsbyggnad använder med standardfasad, glasfasad eller
dubbelskalsfasad.
Efter att de första simuleringarna gjort så kommer det bästa alternativet från varje kategori, standardfasad, glasfasad och dubbelskalsfasad, att simuleras igen men denna gång så ändras regulatorvärdena från normala krav till strikta krav för att erhålla ett bättre inneklimat. Det innebär att temperaturerna som anger när värme- och kylaggregat går igång kommer att ändras från 20 – 25°C till 21-24°C.
27
5.4.1 Referensfasad standard
Är framtagen med hjälp av Andreea Calotescu VVS-konstruktör Skanska och den är en av fyra olika standardfasader som Skanska använder sig av. Tjocklekar och ingående material kan ses på figur 5.2 nedan.
Figur 5.2 – Referensvägg sandwichelement av betong med cellplast.
30 % av fasaden är täckt av fönster av typ Elit Tradition 2-glas från Elitfönster. Valet görs med tanke på att det i moderna kontors byggnader ofta används just 2-glas isolerrutor (Blomsterberg, 2008). Simuleringar kommer att göras både med och utan solavskärmning. Detta sker i form av invändiga persienner.
5.4.2 Referensfasad Glasfasad
Vid simulering av glasfasad så utökas fönsterarean på väggen till 100 %. Tre olika glastyper kommer att testas. Den första som en rak jämförelse mellan vanlig fasad och glasfasad. Här används samma fönster som i referensfasad standard. I alternativ två så väljs ett glas som kan anses ha egenskaper hos en typisk glasbyggnad (Poirazis, 2008). Valt glas är Pilkington Artic Blue 6ab-15-sn4. I den sista simuleringen väljs ett modernt solskyddsglas med förbättrade egenskaper jämfört med tidigare glas. Här faller valet på Pilkington Suncool Brilliant 30/7 6B(30)-15-6. Egenskaper för glas och profiler finns i kap 6.1 fönster. Även här görs
simuleringar både med och utan solavskärmning. Fasaderna kommer senare att benämnas som glasfasad med fönsterglas (elit klassisk), standard glasfasad (Artic Blue) och glasfasad med solskyddsglas (Suncool)
5.4.3 Dubbelskalsfasader
Ventilation av fasaden kommer att ske på tre olika sätt, nämligen inneluftventilerad,
uteluftventilerad och oventilerad. Vilka är de tre huvudprinciperna vid dubbelskalsfasader i Sverige (Björling, 2009).
Ett antal simuleringar kommer att göras för varje ventilationsstrategi. Dessa beskrivs närmare
28 Uteluftsventilerad Dubbelskalsfasad
Ventilation sker genom spjäll i fasadens ovan och underkant. Dessa spjäll är ställningsbara och styrs beroende på temperaturen inne i luftspalten. Anledningen till detta är att luftspalten på så sätt hålls varmare på vintern för att ge bättre isolering och därigenom minskat behov för uppvärmning.
Alternativ A: som invändigt glas används en 2-glas isolerruta av typ Pilkington Optitherm SN 4-15-SN4. Ytterglaset sätts som ett enkelt klarglas av typ Pilkingtion Optifloat clear 10. Denna fasad är tänkt att efterlikna de dubbelskalsbyggnader som finns i Sverige idag (Poirazis, 2008).
Alternativ B: i detta alternativ används ett solskyddsglas invändigt för att minska
energianvändningen. Valt glas är Suncool HP Neutral 70/40 6Hn(70)-15-4. Det yttre glaset är av samma typ som i fasad A
Alternativ C: Detta alternativ är som alternativ A fast en yttre solskyddsruta används i form av Pilkington Optifloat Grey. Denna simulering görs för att se om inre eller yttre solskyddsruta är effektivast.
Inneluftventilerad Dubbelskalsfasad
Mekanisk ventilation används i form av ett frånluft aggregat i ovankant av spalten medans en öppning finns i fasadens underkant.
Alternativ D: Detta alternativ är som alternativ A fast omvänd placering på rutorna. Det får anses som standard för inneventilerade fasader.
Alternativ E: Som alternativ B fast omvänt. Alternativ F: Som alternativ C fast omvänt. Oventilerad Dubbelskalsfasad
Både den yttre och det inre skalet är helt täta
29
6 Ingångsdata till simulering
Nedan presenteras ingångsdata för olika parametrar till simuleringen i IDA 3.0.
6.1 Fönster
När strålning träffar ett genomskinligt material såsom glas kommer en del att absorberas, en del reflekteras, medan resten av strålningen kommer att tranmitteras. I IDA används
parametern direkt transmitterad andel (T) vilket är kvoten mellan den transmitterade
strålningen och den infallande solstrålningen. En annan faktor som används är Solfaktorn (g) som är summan av den direkt transmitterade strålningen och energin som indirekt tillförs rummet genom värmeöverföring från fönster och solskyddsmaterial som har absorberat solstrålning.
6.1.1 Standardfasad
Fönster som använd i fasaden är Elit Tradition 2-Glas. Värdena som används är hämtade från samtal med Niclas Jacobsson som är produktchef på elitfönster.
fönsterstorlek 1,2*1,2 m U-värde glas 1,8 W/m2K U-värde karm 2,31 W/m2K Karmandel 31,5 % Solfaktor (g) 0,69 Direkttransmitterad andel (T) 0,58
Tabell 6.1 indata för fönster
Fönsterarean sätts till 30 % av fasadarean vilket är ett normalt värde (Poirazis, 2008). I indata till IDA så kommer det enbart att sättas in ett fönster per yttervägg och zon. Vilket inte kommer att göra någon skillnad för energiberäkningarna då karmandel och total fönster storlek överensstämmer. Simulering kommer att göras både med och utan solavskärmning på söderfasaden. Solavskärmning sker i form av persienn på insidan av fönstret som styrs både med schema och efter solintensitet mot rutan. Detta medför att persiennen kommer att styras av ljusintensiteten mellan 1- maj och 30- september annars är den uppdragen, datumen är valda efter testsimuleringar där det visade sig att dessa datum var mest optimala. För att persiennen ska dras ner krävs en ljusintensitet på minst 100 W/m2.
6.1.2 Referensfasad Glasfasad
Vid simulering av glasfasad så utökas fönsterarean på väggen till 100 %. Area andelen av profilerna sätts till 10 % (Lindström, 2008). Tre olika glas används vid simuleringar, värden för de olika glasen redovisas i tabell 6.2.
30
Glas U-värde
[W/m2K]
Solfaktor Direkttransmitterad andel
Elit Tradition 2-glas 1,8 0,69 0,58
Pilkington Artic Blue 6ab-15-sn4 1,4 0,33 0,27
Pilkington Suncool Brilliant 30/7 6B(30)-15-6
1,1 0,19 0,15
Tabell 6.2. Egenskaper för fasadglas i enkelskalskonstruktionen
Profilen som håller glasen på plats är framtagen efter samtal med Mats Lindström Byggteknisk rådgivare Schüco. Dessa har ett U-värde på 1,5 W/m2K.
Även för denna fasad görs beräkningar både med och utan solavskärmning i form av invändig persienn. Här visar det sig att optimal styrning för solavskärmningen var mellan 1- maj och 30 september för de två bättre rutorna medan 1- april till 30- oktober var optimalt för alternativet med Elit Tradition. Detta beror på att de två bättre glasen har så pass mycket solskydd inbyggt i sig själv som det är att de klarar att få ner kylbehovet i april utan solavskärmning.
Hur stor effekt solavskärmningen har anges i form av en multiplikator som är ett tal mellan 0-1 som multipliceras med motsvarande värde för glasrutan. Hur stor multiplikatorn är beror på egenskaperna hos de olika glasrutorna. I sin doktorsavhandling gjorde Harris Poirazis studier i Parasol för att få fram korrekta värden på solavskärmningen. I detta arbete så kommer värden för solfaktorn att antas baserade på resultat från Poirazis simuleringar (Poirazis, 2009). Solfaktor för glas och solavskärmning kan ses i tabell 6.3.
Glas Solfaktor glas Multiplikator Persienn Total solfaktor geffektiv Elit Tradition 0,69 0,6 0,30
Pilkington Artic Blue 6ab-15-sn4 0,33 0,8 0,28
Pilkington Suncool Brilliant 30/7 6B(30)-15-6
0,19 0,95 0,18
Tabell 6.3 Solfaktor för glas och solavskärmning
6.1.3 dubbelskalsfasad
I de fall där mekanisk ventilationen används kommer den att drivas av en frånluftfläkt i ovankant av fasaden. Luftflödet kommer att sättas till 0,25 oms/h vilket är antaget efter samtal med (Björling, 2009). Tilluft sker via öppningar i nederkant som ges en area som är 5 % av väggens area. Detta motsvarar en bredd på 150 mm om öppningen följer hela fasaden. När luftspalten ventileras med uteluft kommer ett självdragssystem att tillämpas. Här placeras öppningsbara spjäll i ovan och underkant av dubbelskalsfasaden. Dessa spjäll styrs sedan av temperaturen inne i luftspalten. Anledningen till detta är att fasaden på så sätt minskar uppvärmningsbehoven på vintern eftersom luftspalten inte blir lika kall. Spjällen kommer att öppnas gradvis där de är fullt stängda om luftspalten har en temperatur under 35° C och fullt
31 öppna vid temperaturer över 45° C (Björling, 2009). Storleken på spjällen är 5 % av
väggarean.
Glasen i dubbelskalsfasaden kommer att kombineras på flera olika sätt. Nedan summeras den indata som ges för de olika glasen i IDA. Vilka glas som används var går att läsa i kap 5.4.3 dubbelskalsfasader.
alternativ U-värde Solfaktor Direkttranmitterad
andel
Inre glas Yttre glas Inre glas Yttre glas Inre glas Yttre glas
A 1,2 5,6 0,63 0,78 0,53 0,73 B 1,1 5,6 0,43 0,78 0,39 0,73 C 1,2 5,7 0,63 0,67 0,53 0,57 D 5,6 1,2 0,78 0,63 0,73 0,53 E 5,6 1,1 0,78 0,43 0,73 0,39 F 5,7 1,2 0,67 0,63 0,57 0,53 G 1,1 5,6 0,43 0,78 0,39 0,73
Tabell 6.4 Glasegenskaper hos dubbelskalsfasader
Solavskärmning kommer att ske med lameller som ligger i luftspalten mellan de både
glasskikten. Multiplikator för solskydden sker på samma sätt som för enkelskalsfasadererna. En högre effekt för solskyddet uppnås för fönster med högt T-värde i det yttre skalet.
Multiplikatorn varierar mellan 0,6 och 0,9 (Poirazis, 2008). Exakta värden kan ses i tabell 6.5.
Alternativ Solfaktor yttre glas Multiplikator Persienn Total solfaktor yttre skikt
A 0,78 0,6 0,47 B 0,78 0,6 0,47 C 0,67 0,8 0,54 D 0,63 0,75 0,47 E 0,43 0,9 0,39 F 0,63 0,75 0,47 G 0,78 0,6 0,47
Tabell 6.5 Egenskaper för solavskärmning på dubbelskalsfasad
6.2 Laster
6.2.1 Personer
Antalet personer per zon definieras utifrån planlösningen för våningen figur 5.1 sid 24. Där antal sittplatser dimensionerar för kontor och öppet kontorslandskap och fikarum.
Mötesrummet dimensioneras för 10 personer trots att det finns 18 sittplatser eftersom det inte alltid kommer att vara fullt. Trapphuset ges ingen personlast. Aktiviteten sätts till 1,2 met vilket motsvarar stillasittande aktivitet och clo-värdet sätts till 0,5 på sommarhalvåret vilket
32 motsvarar sommarklädsel medans värdet under vinter månaderna sätts till 0,9 som motsvarar långbyxor och tröja (Fanger, 1995).
Ett belastningsschema sätts upp som anger mellan vilka tider som rummen är belastade. För kontor och kontorslandskap sätts belastning mellan 8-17, i konferensrummet antas ett möte per dag mellan 14-15, fikarummet belastas under frukost och lunch alltså mellan 8.30-9 och 12-13. Alla belastningar kommer att ges ett värde på 80 % av dimensionerade värden vilket är ett standard värde för kontor (Blomsterberg 2009). Under tiden juni-augusti dras belastningen ner till 40 % beroende på semester.
6.2.2 Belysning
För att ta fram ingångsdata för belysningen så ändvänds storheterna för ljusflöde, som mäts i lumen (lm), och illuminans vilket är ett mått på hur mycket en yta belyses. Illuminansen mäts i lux vilket är lm/m2.
Belysning antas ske med lågenergi belysning i form av HF-don. Installerad effekt är för kontor och mötesrum satt till 12 W/m2 med en illuminans på 500 lux. Övriga utrymmen till 6 W/m2 och 250 lux vilket är standardvärden (NUTEK, 1994). Dessa värden ger lumeneffekten 41,7 lm/W. Belysning för varje zon kan ses i tabell 6.6. Belysningen tänds kl 7 och släcks kl 18. Zon Yta (m2) effekt/Area (W/m2) total effekt (W) Illuminans (lux) Ljusflöde (lm) ljusflöde per effekt (lm/W) Kontor 66 12 792 500 33000 41,7 Konferens 24 6 144 250 6000 41,7 Öppet kontorslandskap 200 12 2400 500 100000 41,7 Fika 25 6 150 250 6250 41,7 Trapphus 15 6 90 250 3750 41,7
Tabell 6.6 indata för belysning
Vid byte av fasad till en ren glasfasad så borde rimligtvis behovet av belysning förändras. I simuleringen så tas ingen hänsyn till detta då omfattande studier skulle behöva göras för att ta fram rimliga värden.
6.2.3 Elektrisk utrustning
I fikarummet antas köksutrustning med sammanlagd värmeavgivning på 200 W (Calotescu 2009). Utrustningen antas gå på 100 % effekt under lunchen och annars 50 % effekt beroende på att enbart kyl och frys är igång dygnet runt. Utrustning i övriga zoner redovisas i tabell 6.7. Värmeavgivningen från objekten är hämtade från (Poirazis, 2008).
33
Zon Elektrisk utrustning
Kontor 1 PC (125 W) per sittplats
Mötesrummet Ingen elektrisk utrustning finns.
Öppet kontorslandskap En PC (125 W) per sittplats, totalt 16st (2000 W) 2 skrivare (30 W), totalt 60 W
1 fax (30 W)
2 kopieringsmaskiner (500 W) Totalt 1000 W Tabell 6.7 Elektrisk utrustning och värmeavgivning
Schemat över användandet i ovan nämnda zoner sätts till 80 % mellan 8-12, 15 % mellan 12-13 och 80 % mellan 12-13-17. Under semestern, juli-augusti, dras användandet ner till hälften. Övriga tider sätts användandet till 0 % vilket inte är helt överensstämmande med
verkligheten. Detta spelar inte någon större roll då förutsättningarna är samma oberoende av vilken fasad som testas.
6.2.4 Möbler
Möblerna i samtliga zoner kommer att definieras som standardmöbler enligt IDA vilket medför ett värmeövergångstal på 6,0 W/m2K. Andel möbler av totalarean är uppskattad enligt möbler inritade i figur 5.1 sid. 24 och kan ses i tabell 6.8 nedan.
Zon Andel möbler Möbelarea (m2)
Kontor 33 % 21,8
Konferens 50 % 12
Öppet kontorslandskap 25 % 50
Fika 25% 6,3
Trapphus 0 % 0
Tabell 6.8 möbler i olika zoner
6.3 Ventilation
Byggnaden har ett till/frånluftssystem med väl omblandande luftföring vilket är vanligt för kontor enligt (Calotescu 2009). En läckageyta genom klimatskalet ansätts i varje zon på en höjd av 1m över golvet. Läckageytan har till uppgift att simulera det luftläckage som oavsiktligt sker genom klimatskalet på byggnaden. Ytans storlek sätts till 0,001 m2 vid 4Pa (Standardvärde i IDA ICE). Lufthastigheten är 0.1m/s vilket är ett rimligt värde enligt riktvärdena på < 0,15 m/s. enligt kap 4.1.7 Riktvärden.
6.3.1 Luftflöden
Vid beräkning av luftflöden till de olika zonerna så används normvärdena från arbetsmiljöverket på 0,35 l/m2 +7 l/pers för maxvärden och 0,35 l/m2 för minvärde.
34 I konferensrummet så sätts antal personer till 10st då rummet inte alltid kommer att vara fullsatt vilket medför att ett värde på 18 personer skulle ge för stora flöden i de flesta fall. För kontorsutrymmen antas att 80 % av personerna är närvarande.
Styrningen av luftflödena kommer att ske på olika sätt beroende på vilken zon som avses. För konferensrummet och fikarummet så kommer ett temperaturstyrt VAV system att simuleras. Detta innebär att ventilationen ökar när temperaturen blir högre beroende på ökad
personbelastning. I zoner med VAV system så finns både tilluftsintag och frånluftsdon installerat. För övriga rum antas CAV system vilket innebär att luftflödet hålls konstant på maxnivå mellan 7-18. Medan det dras ner till minimum övriga timmar. För zoner med CAV-system så kommer enbart tilluft att finnas för zonerna kontor och trapphus. Tillförd luft tas istället ut via kontorslandskapet. Luftflödena summeras i tabell 6.9 nedan.
Zon Yta [m2] personer Tilluftflöde max [l/s] Tillluftflöde min [l/s] Frånluftsflöde Max [l/s] Kontor 66 6 56,7 23,1 -Konferens 24 18 (10) 78,4 8,4 80 Öppet kontorslandskap 200 18 170 70 235 Fika 25 12 92,75 8,75 94 Trapphus 15 0 5,25 5,25 -Totalt 330 403,9 115,5 409
Tabell 6.9 luftflöde i olika zoner
Maxvärdet på frånluften är något högre än byggnadens totala tilluftsflöde för att skapa ett visst undertryck.
6.3.2 Luftbehandlingsaggregat
Eftersom ventilationen kommer att styras med både CAV och VAV-system så måste två olika luftbehandlingssystem dimensioneras. Detta har gjorts av Christer Assarsson på Fläktwoods. Ingångsdata till programmet kan ses i tabell 6.10 nedan medan dimensioneringen i sin helhet kan ses i bilaga C.
Kontorsutrymme (CAV-styrt)
Fika och konferens (VAV-styrt) Verkningsgrad värmeväxlare [%] 81,3 84
Tryckhöjning tilluftsfläkt [Pa] 525 438
Tryckhöjning frånluftsfläkt [Pa] 458 399
Verkningsgrad Tilluftfläkt [%] 48,1 39,8 Verkningsgrad Frånluftsfläkt [%] 49,8 42,8 Temperaturhöjning
Tilluftsfläkt och system [°C]
0,9 0,9
Verkningsgrad värmebatteri [%] 90 90
Verkningsgrad kylbatteri [%] 90 90
35
6.4 Värme/Kyla
Som primärkälla för värme och kyla används fjärrvärme/kyla vilket medför att
verkningsgraden för pannan och kylmaskinen sätts till 100 %. Effekterna sätts oändligt stora vilket medför att IDA själv anger behövd effekt.
Värme och kyla kommer att tillföras i två olika led först i luftbehandlingsaggregaten där tilluften värms/kyls av värme- och kylbatteri. Sedan i de olika zonerna via vattenburna system.
6.4.1 Temperaturstyrning av tilluften
Uppvärmningen samt nedkylningen i primärsystemen styrs med ett schema där
tilluftstemperaturen är knuten till uteluftstemperaturen. En bild över schemat visas i figur 6.1 nedan. Anledningen till denna styrning är att det ur konfortsynpunkt är behagligare med en högre tilluftstemperatur på vintern och lägre på sommaren. Att temperaturen tillåts stiga vid 27 °C beror på att det skulle dra orimliga mängder energi att behålla 16 °C. Schemat är hämtat från (Poirazis, 2008).
Figur 6.1 schematisk styrning av tillufttemperatur
6.4.2 Värme/kylsystem
Värme kommer att tillföras de olika rummen med ett vattenburet radiatorsystem. Framloppstemperaturen i kretsen är 55 °C medans returtemperaturen ligger på 45 °C. Maxeffekten ställs in en bra bit över vad som behövs vilket leder till att IDA ICE själv utnyttjar den effekt som kommer att behövas vid varje tillfälle.
Radiatorerna styrs med prop. kontroll vilket innebär att flödet genom radiatorn varierar beroende på omgivande temperatur.
För att kyla byggnaden under de varma sommarmånaderna används aktiva kylbafflar.
36 både max- och minflöden. Och precis som för radiatorerna så överdrivs maxeffekterna för att ge IDA utrymme att själv räkna på behövd effekt. Ett dimensionerat flöde, det luftflöde som sägs passera genom kylbaffeln, ställs också in, I modellen antas att halva tilluftsflödet går via bafflarna. Temperaturerna för vattnet i kylsystemet är 3°C i framloppstemperatur och 10 °C i returtemperatur detta gäller för rumstemperatur på 20 °C.
Kylbafflarna styrs med PI kontroll som betyder att aggregatet antingen är på eller av. Det startar alltså vid för höga temperaturer och stängs av vid behaglig rumstemperatur.
Precis som för fönster och belysning så kommer enbart en radiator samt en kylmaskin sättas in i varje IDA-zon. Men dessa kommer att stå för lika stor sammanlagd effekt som många mindre enheter skulle ha gjort.
37
7 Resultat och diskussion
I det här kapitlet så redovisas resultaten i tre olika avsnitt. Dels för referensbyggnaderna och dels för alternativen med dubbelskalsfasader och därefter redovisas värdena som erhålls när höga krav ställdes på regulatorn för värme och kyla. Parametrarna som det fokuseras på är byggnadernas totala energianvändning samt lufttemperatur, operativ temperatur och Fangers komfortindex i kontorslandskapet då den zonen är mest berörd av ändringar i söderfasaden.
7.1 Referensfasader
Som referensfasader räknas alla simuleringar med enkelskalsfasader.
7.1.1 Energianvändning
Den totala energianvändningen för standardfasader redovisas i figur 7.1
Figur 7.1 Energianvändning för referensbyggnader med standardfasad.
Från simuleringarna framgår det klart att standardfasaden med solavskärmning är bäst ur energisynpunkt då den har ett kraftigt minskar kylbehov. I övrigt är fasaderna ganska jämbördiga. Den totala energianvändningen kan verka låg men det beror på gjorda
förenklingar där inga köldbryggor förekommer och inte heller något läckage via grund eller yttertak. Det förekommer heller inget serverrum vilket skulle ha ökat elanvändningen. Detta
16 16 19 14 32 32 19 18 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Referensfasad standard Referensfasad standard med
invändig persienn
kW
h
/m
2
värme kyla belysning övrigt
86
