En extra fasadskivas effekt på energiprestandan hos ett flerbostadshus

(1)

Examensarbete, 30 hp

Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik, 300 hp

En extra fasadskivas effekt på energiprestandan hos

ett flerbostadshus

En kontroll av Boverkets krav för nära-nollenergibyggnader till

2021

Johan Byström

<

EN1709

(2)

Sammanfattning

I arbetet mot ett bättre klimat är allt mer energieffektiva byggnader och skärpta krav ett litet men viktigt steg på vägen. I dagsläget står bostads- och servicesektorn för närmare 40 % av Sveriges totala energiförbrukning. För att driva på utvecklingen mot ett mer energieffektivt byggande i Europa ska alla nya byggnader vara klassade som nära-nollenergibyggnader (NNE-byggnader) år 2021.

Syftet med detta projekt var att utvärdera ifall användning av en extra fasadskiva på ett flerbostadshus resulterar i att energiprestandan hamnar inom nuvarande energiprestandakrav, samt de framtida kraven för NNE-byggnader. Fasadskivorna som testades var från Kingspan samt Isover i tjocklekar om 30 och 50 mm. Målet var att genom användning av COMSOL Multiphysics (CM) samt IDA Indoor Climate and Energy (IDA ICE) beräkna byggnadens genomsnittliga värmegenomgångskoefficient, specifika energian- vändning samt primärenergital (PET). Resultaten skulle sedan kontrolleras mot Boverkets nuvarande samt framtida energiprestandakrav.

Projektets tillvägagångssätt utgjordes av användning av mjukvarorna CM och IDA ICE. Då IDA ICE kräver indata för värmeflöden genom byggnadens köldbryggor användes CM för att simulera dessa. Detta gjordes för att få bättre värden än om ett antagande gjorts eller ett schablonvärde använts. Byggnaden ritades sedan upp i IDA ICE där dess energiprestanda samt genomsnittliga värmegenomgångskoefficient erhölls från simuleringar över ett normalår.

Resultaten från simuleringar av köldbryggor i CM verkade trovärdiga då användning av den bästa skivan gjorde att köldbryggornas värden hamnade på ”Good” enligt IDA ICE inbyggda gradering. Simuleringarna i IDA ICE visade att byggnadens specifika energianvändning utan en extra fasadskiva var 55,9 kWh/m²,år jämfört med Boverkets nuvarande krav på 80 kWh/m²,år. Med Kingspans fasadskiva i tjockleken 50 mm, den skiva som gav bäst resultat, sänktes den specifika energianvändningen till 53 kWh/m²,år, en förbätt- ring med 5,2 %. För fallet utan fasadskiva hamnade byggnadens PET på 66,6 kWh/m²,år jämfört med Boverkets nära-nollenergikrav (NNE-krav) för 2018 på 85 kWh/m²,år samt skärpningen av NNE-kraven till 65 kWh/m²,år till år 2021. Vid användning av Kingspan K12 50 mm som var skivan med bäst resultat blev PET 63,3 kWh/m²,år, vilket var en förbättring med 5 %. Detta resulterade i att byggnadens PET hamnade under Boverkets gränsvärde för NNE-kraven 2021. Skivan som gjorde minst skillnad, Isover P31 30 mm, gav en förbättring med 2,5 och 2,7 % för den specifika energianvändningen respektive PET. Även denna skiva resulterade i att PET hamnade inom Boverkets NNE-krav för 2021.

De tydligaste slutsatserna som kunde dras från projektet är att byggnadens specifika energianvändning stod sig väl mot de nuvarande energikraven, både med och utan en extra fasadskiva. PET stod sig väldigt bra mot NNE-kraven som börjar gälla 2018 och klarade sig även mot de skärpta NNE-kraven för 2021 vid användning av någon av samtliga fasadskivor som testats. Byggnadens genomsnittliga värmegenom- gångskoefficient stod sig också väldigt bra i jämförelse med Boverkets krav, både de nuvarande kraven samt båda framtida NNE-krav. En addering av en extra skiva gav en energibesparing på lite mer än 2,5 och 5 % i det sämsta respektive bästa fallet. På grund av försummelse av ringmuren under byggnaden är den specifika energianvändningen och PET förmodligen aningen låga. Detta är dock inte av största relevans då det handlar om ett specialfall och inte kommer att användas på alla byggnader som tillverkas av företaget. Andra osäkerheter kring val av luftflöden i fastighetsutrymmen kan ha påverkat resultatet åt det andra hållet och gett aningen för höga värden. Om det finns andra uppenbara energieffektivise- ringsåtgärder än att addera en fasadskiva bör dessa tas i beaktning i första hand då en fasadskiva bara kan minska energianvändningen marginellt.

(3)

Abstract

Increasing the energy efficiency of buildings and the introduction of more strict regulations are small but important steps towards a better climate. Today the housing and services sector stands for nearly 40 % of Sweden’s energy use. To push the development towards more energy efficient buildings in Europe, all the new buildings are required to be nearly zero-energy buildings by 2021.

The purpose of this project was to evaluate whether the use of an additional facade board on an apartment building results in putting the energy performance within the current energy performance requirements, and also within the future requirements for nearly zero-energy buildings (NZEBs). The facade boards that were tested in this project are manufactured by Kingspan and Isover. The different boards were tested in thicknesses of 30 and 50 mm. The aim of the project was to calculate the building’s average heat transfer coefficient, specific energy use and primary energy number (PET) using COMSOL Multiphysics (CM) and IDA Indoor Climate and Energy (IDA ICE). The results were then about to be controlled against the current energy performance requirements together with the future requirements for NZEBs.

The approach of this project consisted of the use of the softwares CM and IDA ICE. Because IDA ICE requires input of the thermal bridges of the building, CM was used to simulate these. This was done in order to achieve more reliable values than if an assumption was made or a standard value was used.

A model of the building was then created in IDA ICE where its energy performance and average heat transfer coefficient were obtained from simulations over a normal year.

The results obtained from the simulations in CM seemed credible as the use of the best facade board caused the values of the thermal bridges to end up at ”Good” according to IDA ICE’s built in scale. The simulations in IDA ICE showed that the specific energy use of the bulding without an additional facade board was 55,9 kWh/m²,year compared to Boverket’s current requirements at 80 kWh/m²,year. With the 50 mm Kingspan facade board, the board with the best result, the specific energy use was reduced to 53 kWh/m²,year, an improvement of 5,2 %. For the case without an additional facade board, the PET was 66,6 kWh/m²,year compared to the NZEBs requirements for 2018 at 85 kWh/m²,year together with the requirements for year 2021 at 65 kWh/m²,year. By using the 50 mm Kingspan facade board the PET was reduced to 63,3 kWh/m²,year, an improvement of 5,0 %. This resulted in putting the PET below the NZEB requirements for 2021. The facade board that resulted in the least energy savings, Isover P31 30 mm, had an improvement of 2,5 and 2,7 % for the specific energy use and the PET respectively. This facade board also resulted in putting the PET below the NZEB requirements for 2021.

The most obvious conclusions that could be drawn from the simulations was that the specific energy use was below the current energy performance requirements with a great margin, both with and without an additional facade board. The PET was well below the NZEB requirements for 2018 and was also below the NZEB requirements for 2021 using any of the tested facade boards. The building’s average heat transfer coefficient was also well below both today’s energy performance requirements and the NZEB requirements for 2018 and 2021. A use of an additional facade board resulted in an energy saving of around 2,5 and 5 % in the worst and the best case, respectively. Due to the neglect of the ring wall under the bulding, the energy performance is most probably slightly high. However, this is not of utmost relevance since the company normally does not use this kind of solution for their standard buildings. Other uncertainties about the choice of airflows in property spaces may have influenced the results in the other direction. If there are any other obvious energy saving measures than using an additional facade board, these should be taken into account primarily as a facade board can only reduce the energy use marginally.

(4)

Förord

Detta examensarbete på 30 hp avslutar mina studier på Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik vid institutionen för Tillämpad Fysik och Elektronik (TFE) på Umeå universitet. Projektet har genomförts på uppdrag av Derome Plusshus under perioden januari - maj 2017.

Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare Anders Carlsson och P-O Landstedt på Derome Plusshus som under hela projektets gång varit otroligt hjälpsamma. De har visat en stor vilja att underlätta mitt arbete genom att snabbt besvara mina frågor och funderingar samt skicka det material som behövts för projektets framåtskridande. Även min handledare på TFE, Thomas Olofsson, har med sin stora kompe- tens inom området varit en trygghet att ha vid min sida och förtjänar ett stort tack.

Jag vill också passa på att tacka Tony Kjellén på Paroc och David Albinsson på Kingspan som tagit fram data och material jag behövt för mina simuleringar.

Tack även till Björn Berggren, doktorand vid Energi och Byggnadsdesign på Lunds universitet, som bi- dragit till nyttiga diskussioner angående funderingar jag hade kring mina simuleringar.

Avslutningsvis vill jag också tacka Mark Murphy på TFE som har varit ett bra stöd vid mina simuleringar i IDA ICE.

Johan Byström Umeå, maj 2017

(5)

Innehållsförteckning

Sammanfattning i

Abstract ii

Förord iii

1 Introduktion 1

1.1 Syfte och mål . . . 1

1.2 Avgränsningar . . . 1

2 Litteraturstudie 2 2.1 Byggnaders energiprestanda . . . 2

2.2 NNE-byggnader och primärenergital . . . 3

2.3 Sveby och standardiserad brukarindata . . . 4

2.3.1 Inomhustemperatur . . . 4

2.3.2 Ventilation . . . 4

2.3.3 Vädringspåslag . . . 4

2.3.4 Solavskärmning . . . 5

2.3.5 Personvärme . . . 5

2.3.6 Tappvarmvattenanvändning . . . 6

2.3.7 Elanvändning . . . 6

2.4 IDA ICE . . . 6

2.5 Andra studier inom CM . . . 7

2.6 Andra studier inom IDA ICE . . . 7

3 Metod 8 3.1 Byggnadens konstruktion . . . 8

3.2 Köldbryggor i CM . . . 9

3.2.1 Metodspecifik data . . . 9

3.2.2 Val av mesh . . . 10

3.2.3 Yttervägg - golvbjälklag . . . 11

3.2.4 Yttervägg - innervägg . . . 12

3.2.5 Yttervägg - husgrund . . . 12

3.2.6 Yttervägg - yttervägg . . . 13

3.2.7 Innervägg - husgrund . . . 13

3.2.8 Tak - innervägg . . . 14

3.2.9 Tak - yttervägg . . . 14

3.2.10 Balkong . . . 14

3.3 Energisimulering i IDA ICE . . . 15

3.3.1 Indata för simulering . . . 17

3.3.2 Specifik energianvändning, PET och Um . . . 19

4 Resultat 20 4.1 Köldbryggor i CM . . . 20

4.1.1 Ingen extra fasadskiva . . . 20

4.1.2 Kingspan K3 30 mm . . . 20

4.1.3 Kingspan K12 50 mm . . . 21

4.1.4 Isover P31 30 mm . . . 21

4.1.5 Isover P31 50 mm . . . 22

4.2 Energisimulering i IDA ICE . . . 23

4.2.1 Specifik energianvändning . . . 23

4.2.2 PET . . . 24

5 Diskussion 25 5.1 Framtida arbeten . . . 25

6 Slutsatser 26

(6)

A Bilagor 29

A.1 Bilaga 1 . . . 29

A.2 Bilaga 2 . . . 30

A.3 Bilaga 3 . . . 31

A.4 Bilaga 4 . . . 32

A.5 Bilaga 5 . . . 33

A.6 Bilaga 6 . . . 34

A.7 Bilaga 7 . . . 35

A.8 Bilaga 8 . . . 36

A.9 Bilaga 9 . . . 37

A.10 Bilaga 10 . . . 38

(7)

Figurförteckning

1 Uppdelning av Sveriges fyra klimatzoner enligt BBR 22. . . 3

2 Modell som användes för verifiering av mesh-oberoende simuleringsresultat för ”Finer” och ”Extra fine” mesh . . . 10

3 Temperaturfördelningen över köldbryggans påverkade område längs med och mellan reglar. 11 4 Modell av köldbryggan som uppstår mellan yttervägg och golvbjälklag. . . 11

5 Modell av köldbryggan som uppstår mellan yttervägg och innervägg. . . 12

6 Modell av köldbryggan som uppstår mellan ytterväggen och husgrunden. . . 12

7 Modell av köldbryggan som uppstår i hörnskarven mellan ytterväggarna. . . 13

8 Modell av köldbryggan som uppstår mellan innerväggen och husgrunden. . . 13

9 Modell av köldbryggan som uppstår mellan tak och innervägg. . . 14

10 Modell av köldbryggan som uppstår mellan innerväggen och husgrunden. . . 14

11 Modell av köldbryggan som uppstår mellan balkong och yttervägg. . . 14

12 Exempel på planritning som användes för uppbyggnad av modellen. . . 15

13 Detaljritning på zonfördelning i modellen samt en exempelmodell på en öppnad zon. . . . 16

14 Färdig modell av byggnaden sedd från nordostlig riktning. . . 16

15 Jämförelse av byggnadens för modell skapad i IDA ICE och fasader enligt fasadritning. . . 17

16 Skärmklipp från fönster där olika byggnadsdelar kan definieras med olika material och skikttjocklek. . . 17

17 Specifik energianvändning för referensfallet utan fasadskiva jämfört med fallen med de olika fasadskivorna. . . 23

18 PET för referensfallet utan fasadskiva jämfört med fallen med de olika fasadskivorna. . . . 24

A.1 Tabell 9:2a från BFS 2017-xx BBR (B) som presenterar högsta tillåtna primärenergital, installerad eleffekt för uppvärmning, genomsnittlig värmegenomgångskoefficient samt ge- nomsnittligt luftläckage för småhus, flerbostadshus och lokaler. . . 29

A.2 Tabell 9:2c från BFS 2017-xx BBR (B) som presenterar de geografiska justeringsfaktorerna. 30 A.3 Detaljritning på hörn. . . 31

A.4 Årsmedeltemperaturer Sverige 2016. . . 32

A.5 Detaljritning takkonstruktion. . . 33

A.6 Detaljritning på hörn i takkonstruktion. . . 34

A.7 Detaljritning över balkongkonstruktion. . . 35

A.8 Planritningar med zonfördelning över byggnadens alla plan. . . 36

A.9 Inmatning av värden på köldbryggor i IDA ICE för fasadskivan Kingspan K12. . . 37

A.10 Inställning av byggnadens luftläckage. . . 38

(8)

Tabellförteckning

1 Krav på specifik energianvändning uttryckt i kWh/m²,år för eluppvärmda samt icke elupp-

värmda flerbostadshus för Sveriges fyra klimatzoner. . . 2

2 Rekommenderade inomhustemperaturer för inmatning vid energiberäkningar. . . 4

3 Olika inmatningsmetoder för vädringspåslag till flerbostadshus rekommenderade av Sveby. 5 4 Svebys rekommenderade värden på avskärmningsfaktorer. . . 5

5 Rekommenderad avgiven värmeeffekt från personer tillsammans med närvarotid och personantal. . . 5

6 Värden för beräkning av antal personer i bostäder. . . 6

7 Byggnadsteknisk beskrivning för alla ingående byggnadsdelar. . . 8

8 Materialspecifikationer använda vid simulering och handberäkning. . . 9

9 Temperaturer, värmeövergångsmotstånd och värmeöverföringskoefficienter för luft i olika områden i modellen. . . 9

10 Indata för simulering i IDA ICE. . . 18

11 Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet utan extra fasadskiva. . . 20

12 Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet med fasadskivan Kingspan K3 (30 mm). . . 20

13 Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet med fasadskivan Kingspan K12 (50 mm). . . 21

14 Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet med fasadskivan Isover P31 (30 mm). 21 15 Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet med fasadskivan Isover P31 (50 mm). 22 16 Resultat från simulering i IDA ICE med en inomhustemperatur på 21 grader. . . 23

17 Resultat från simulering i IDA ICE med en inomhustemperatur på 22 grader. . . 24

(9)

1 Introduktion

Alla nya byggnader i Europa ska vara klassade som nära-nollenergibyggnader (NNE-byggnader) år 2021 [1]. Syftet med detta krav är driva på utvecklingen mot ett mer energieffektivt byggande i Europa. I och med detta togs ett regeringsbeslut den 9 januari 2014 där Boverket fick i uppdrag att ta fram ett förslag till en definition samt en kvantitativ riktlinje avseende energikrav för NNE-byggnader [2].

Derome Plusshus producerar träbaserade bostadshus i modulsystem som med en hög prefabriceringsgrad samt en rationell volymbyggnadsteknik möjliggör flexibla och kostnadseffektiva lösningar [3]. Företaget överlägger att montera en fasadskiva mellan stomme och spikläkt och är då intresserade av att kontrollera energiprestandan hos sina modulhus mot kraven satta till 2021.

1.1 Syfte och mål

Syftet med projektet var att utvärdera ifall användningen av en extra fasadskiva resulterar i att energiprestandan hos ett flerbostadshus uppbyggt av moduler faller inom ramarna för Boverkets framtida energikrav för NNE-byggnader. På grund av att Boverkets nuvarande energikrav kommer att kunna tillämpas fram till 2018 skulle även dessa krav kontrolleras [4]. Projektets mål var att genom simuleringar i COMSOL Multiphysics (CM) och IDA Indoor Climate and Energy (IDA ICE) beräkna den genomsnittliga värmegenomgångskoefficienten, den specifika energianvändningen samt primärenergitalet (PET) för ett modulhuskomplex. Resultaten skulle sedan kontrolleras mot Boverkets nuvarande energikrav [5], nära-nollenergikraven (NNE-kraven) som börjar gälla 2018 [6] samt skärpningen av NNE-kraven till 2021 [7].

1.2 Avgränsningar

Projektet har avgränsat sig till tester av fasadskivor från två olika fabrikat, samt ett test av fallet utan en extra fasadskiva på byggnaden. Skivtyperna som testades var en Kingspan Kooltherm K3 och K12 samt en Isover P31. Skivorna testades i två utföranden där det ena innebar en tjocklek på 50 millimeter och det andra en tjocklek på 30 mm.

(10)

2 Litteraturstudie

I detta avsnitt förklaras den teoretiska bakgrund som krävs för att få en bättre förståelse av projektets utformning och resultat. Det som berörs är bland annat regeringens beslut kring energikrav för NNE-byggnader, Boverkets definitioner om energiprestanda, Svebys brukarindata för energiberäkningar i byggnader, samt liknande studier inom området.

2.1 Byggnaders energiprestanda

Att införa mer och mer energieffektiva byggnader på marknaden och skärpa kraven är ett viktigt steg på vägen mot ett bättre klimat. Idag står bostads- och servicesektorn för nästan 40 % av Sveriges totala energiförbrukning [8]. Energieffektiviseringsåtgärder för att förbättra byggnaders energiprestanda kan därför spara mycket både miljömässigt och ekonomiskt. En byggnads energiprestanda definieras enligt [9] som

”den mängd levererad energi som behövs för uppvärmning, kylning, ventilation, varmvatten och belysning vid ett normalt bruk av en byggnad, undantaget sådan energi från sol, vind, mark, luft eller vatten som alstras i byggnaden eller på dess tomt.”

Byggnaders energiprestanda kontrolleras idag genom dess specifika energianvändning [10]. En byggnads specifika energianvändning omfattar den energi som, vid normalt brukande, under ett normalår behöver levereras till en byggnad fördelat på tempererad golvarea (Atemp) uttryckt i kWh/m²,år. Detta består av energi för uppvärmning, komfortkyla, tappvarmvatten och byggnadens fastighetsenergi. Den specifika energianvändningen definieras enligt

Espec=Euppv+ Ekyl+ Etvv+ Ef

Atemp

(1) där Euppv betecknar den levererade energin för uppvärmning, Ekyl komfortkyla, Etvv tappvarmvatten, Ef fastighetsenergi och Atemp den tempererade golvarean. Med den tempererade golvarean menas den golvarea som är avsedd att värmas till mer än 10^oC och som begränsas av klimatskärmens insida.

Förutom den specifika energianvändningen används även byggnadens genomsnittliga värmegenomgångs- koefficient, U_m, som ett mått på hur energieffektiv en byggnad är [5]. U_m definieras enligt [10] genom ekvationen

Um= Pn

i=1UiAi+Pm

k=1lkΨk+Pp j=1Xj

A_om , (2)

där Ui betecknar värmegenomgångskoefficienten för en byggnadsdel, Ai arean för byggnadsdelen i:s yta mot uppvärmd inomhusluft, Ψk värmegenomgångskoefficienten för den linjära köldbryggan, lk längden mot uppvärmd inomhusluft av den linjära köldbryggan k, χj värmegenomgångskoefficienten för den punktformiga köldbryggan j och Aomden sammanlagda arean för omslutande byggnadsdelars ytor mot uppvärmd inomhusluft.

Boverkets energiprestandakrav skiljer sig åt både beroende byggnadens uppvärmningssätt, som enligt BBR 22 definieras antingen som elvärme eller annat uppvärmningssätt, men också beroende på vilken klimatzon byggnaden befinner sig i [10]. Sverige är uppdelade i fyra olika klimatzoner enligt figur 1.

Boverkets krav på specifik energianvändning för eluppvärmda samt icke eluppvärmda flerbostadshus i respektive klimatzon presenteras i tabell 1.

Tabell 1: Krav på specifik energianvändning uttryckt i kWh/m²,år för eluppvärmda samt icke eluppvärmda flerbostadshus för Sveriges fyra klimatzoner [10].

Zon I Zon II Zon III Zon IV

Flerbostadshus (eluppvärmda) 85 65 50 45

Flerbostadshus (annat uppvärmningssätt) 115 100 80 75

Boverkets krav på byggnadens genomsnittliga värmegenomgångskoefficient för flerbostadshus är Um = 0,40 W/m²,K, oberoende av klimatzon.

(11)

Figur 1: Uppdelning av Sveriges fyra klimatzoner enligt BBR 22 [11].

2.2 NNE-byggnader och primärenergital

Enligt artikel 9.1 i direktiv 2010/31/EU ska alla nya byggnader senast den 31 december 2020 vara NNE- byggnader [1]. Vidare fastställs också i artikel 9.1 att nya byggnader som ägs och används av offentliga myndigheter ska vara NNE-byggnader den 31 december 2018. Enligt artikel 2.2 i [1] definieras en NNE- byggnad som

”en byggnad som har mycket hög energiprestanda, som bestäms i enlighet med bilaga I. Nära nollmängden eller den mycket låga mängden energi som krävs bör i mycket hög grad tillföras i form av energi från för- nybara energikällor, inklusive energi från förnybara energikällor som produceras på plats, eller i närheten.”

Regeringen beslutade i december 2016 om en ändring av Plan- och byggförordningen för att säkerställa att Sverige ska kunna uppfylla kraven för NNE-byggnader enligt direktiv 2010/31/EU [12]. Beslutet innebar att regeringen skulle sätta ramverket för vad en NNE-byggnad innebär och hur energiprestandan ska beräknas. Det är sedan Boverkets uppgift att sätta nivåerna på vilken energiprestanda som måste uppfyllas samt ta fram en detaljerad beräkningsmetod. Direktivet fastställer att en byggnads energiprestanda ska uttryckas genom en energiprestandaindikator och en numerisk indikator för primärenergianvändning som är grundade på primärenergifaktorer per energibärare [1]. Den specifika energianvändningen kommer alltså så småningom att ersättas av ett primärenergital, (PET), som definieras enligt

P ET =

E_uppv,el

F_geo + Ekyl,el+ Etvv,el+ Ef,el

· P Eel+

E_uppv

F_geo + Ekyl+ Etvv

· P Eövr

Atemp

, (3)

där E_uppv,el, E_kyl,el, E_tvv,el, E_f,el, E_uppv, E_kyloch E_tvvbetecknar köpt levererad energi för uppvärmning (uppv), komfortkyla (kyl), tappvarmvatten (tvv) och fastighetsel (f) uppdelat i elenergi (el) och övrig energi. Vidare betecknar Fgeo den geografiska justeringsfaktorn, P Eel primärenergifaktorn för elenergi, P Eövr primärenergifaktorn för övrig energi och Atemp den tempererade golvarean [7]. Beräkningen av PET kommer då att ske i tre steg. Först mäts den levererade energin som tidigare, sedan sker en norma- lisering enligt BEN 2 [13] innan det i tredje steget räknas om till PET.

I PET har Boverket infört en geografisk justeringsfaktor som ersätter de fyra klimatzonerna som varit tidigare [6]. De geografiska justeringsfaktorerna kan ses i bilaga A.2. Boverket har även infört primäre- nergifaktorer för el och övrig energi som gör att uppdelningen mellan eluppvärmda och icke eluppvärmda byggnader kan tas bort. All elenergi som räknas in i byggnadens energianvändning; uppvärmning, kom-

(12)

fortkyla, tappvarmvatten och fastighetsel multipliceras med primärenergifaktorn för el. Övrig energi som ingår i byggnadens energianvändning multipliceras med den andra primärenergifaktorn. Boverket har satt de två primärenergifaktorerna till P E_el = 2,5 samt P E_övr= 1.

I och med införandet av primärenergifaktorerna och den geografiska justeringsfaktorn kan kravet på PET för en byggnadstyp uttryckas som en enda siffra för hela Sverige. Detta betyder att oavsett om en byggnad står i Kiruna eller i Malmö är det samma krav på PET som ska uppfyllas. Boverkets NNE-krav för PET hos flerbostadshus definieras i [6] som 85 kWh/m²,år och kommer troligtvis att börja gälla år 2018 [4].

Tillägg kan dock göras till denna siffra om bostaden uppfyller vissa krav enligt bilaga A.1, där övriga NNE-krav också presenteras i sin fullständiga form. En skärpning av NNE-kraven kommer att ske år 2021 där PET förväntas hamna på 65 kWh/m²,år [7]. NNE-kravet till år 2021 för byggnadens genomsnittliga värmegenomgångskoefficient, Um, är satt till 0,35 W/m²,K.

2.3 Sveby och standardiserad brukarindata

Sveby, som står för ”Standardisera och verifiera energiprestanda för byggnader”, är ett utvecklingsprogram drivet av bygg- och fastighetsbranschen [14]. Krav på minskad energianvändning både nationellt och internationellt har lett till att det krävs en allt mer noggrann kontroll av den förväntade och faktiska energianvändningen hos byggnader [15]. För att energiberäkningar ska kunna verifieras är det viktigt att de dokumenterats väl tillsammans med programversion, utförande, indata och resultat. Genom att införa standardiserad brukarindata som ska användas vid beräkning av energiprestanda, samt hur verifieringen av densamma skall gå till, sätter Sveby Sveriges branschstandard för energiberäkningar i byggnader [14]. Underlag från statistiska undersökningar om energi- och vattenanvändningen i Sverige har legat till grund för den representativa indata som tagits fram för brukande av nyproducerade bostäder. Enligt Sveby är avsikten med brukarindatan att den ska användas för beräkning av en byggnads specifika energianvändning för ett normalår. Brukarindatan presenteras i avsnitt 2.3.1 - 2.3.7.

2.3.1 Inomhustemperatur

För energiberäkningar småhus och flerbostadshus används inomhustemperaturer enligt tabell 2 för alla veckodagar. Dessa gäller såvida inte andra temperaturer kan påvisas.

Tabell 2: Rekommenderade inomhustemperaturer för inmatning vid energiberäkningar [14].

Rekommenderad inomhustemperatur

Bostäder och lokaler i bostadshus 21^◦C Bostäder med individuell mätning

och debitering av värme 21^◦C

Äldreboende 22^◦C

Temperaturerna presenterade i tabell 2 gäller för bostädernas vistelsezoner. Om uppmätt värde över- eller understiger det normerande värdet 21 ^◦C kan inomhustemperaturen vid verifiering korrigeras ifall temperaturavvikelsen inte beror på något fel. Enligt Boverkets brukarindata för framtida energikrav är den rekommenderade inomhustemperaturen för flerbostadshus 22^◦C [13]. På grund av att komfortkyla i normala fall saknas i nya bostäder är börvärden för inomhustemperatur vid kylning exkluderade [14].

2.3.2 Ventilation

Enligt BBR måste ett ventilationsflöde om minst 0,35 l/s,m²golvarea uppfyllas då någon vistas i bostaden och minst 0,10 l/s,m²golvarea när inga personer vistas i bostaden [16]. Behovsstyrd ventilation ska också tas hänsyn till vilket för bostäder innebär forcering av köksfläkt 30 min per dag [14]. På grund av bland annat avsaknad av studier bör en sänkning av luftflödena med närvarostyrd ventilation undvikas vid beräkningarna.

2.3.3 Vädringspåslag

Utöver luftflöden specificerade i föregående avsnitt ska ett vädringspåslag användas för att ta hänsyn till energiförluster som uppstår vid vädring. Vädringsvanor kan skilja mycket mellan lägenheter i ett småhus och ett flerbostadshus och kan ha olika inverkan beroende på hur utsatt byggnaden är för vind och vilken

(13)

typ av ventilationssystem som används. Enligt en beräkningsstudie utförd av Eriksson och Wahlström [17] om beteende och reglerstrategier har vädringsvanor stor inverkan på byggnadens energianvändning.

Vädringspåslaget kan läggas till energiberäkningarna på olika sätt då olika beräkningsprogram kan kräva olika typer av indata [14]. De tre sätten vädringspåslaget kan göras på är antingen som ett schablonpåslag på den beräknade specifika energianvändningen, som ett påslag på byggnadens luftläckage eller som en ökning av ventilationsflöden. De olika sätten för att lägga till ett vädringspåslag presenteras i tabell 3.

Tabell 3: Olika inmatningsmetoder för vädringspåslag till flerbostadshus rekommenderade av Sveby [14].

Inmatningsmetod Beräknat påslag

F-vent FTX-vent 1. Schablonpåslag på den specifika

energianvändningen (kWh/m²,år) 4 4 2. Omräknat till påslag på otäthet

(l/s,m²vid 50 Pa tryckskillnad) 0,5 0,5 3. Ökning av konstanta luftflöden

vid ventilation. η betecknar värmeväxlarens verkningsgrad.

2,3 (2,3/(1-η))

2.3.4 Solavskärmning

Det som utgör den beteenderelaterade solavskärmningen är användning av olika typer av rörliga solskydd som markiser, persienner och gardiner. Solavskärmning kan också vara icke beteenderelaterad som exempelvis skuggande byggnader eller träd och klassas då som övrig solavskärmning. Både den beteenderelaterade och den övriga solavskärmningen har avskärmningsfaktorer som presenteras i tabell 4. Anledningen till att den övriga solavskärmningen tas med är att alla avskärmningsfaktorer multipliceras med varandra då de används vid beräkning. Faktorerna i tabell 4 ska enligt Sveby användas i beräkningsprogram där användaren saknar möjlighet att rita upp solavskärmande objekt.

Tabell 4: Svebys rekommenderade värden på avskärmningsfaktorer [14].

Rekommenderade värden på avskärmning Faktor

Sammanlagd avskärmning 0,5

Fast avskärmningsdel 0,71

Beteendestyrd avskärmningsdel 0,71

2.3.5 Personvärme

Den avgivna värmeeffekten från personer brukar ofta sättas till 100 W från vuxna personer och 60 W för barn, men den kan också variera en del beroende på exempelvis kön och aktivitetsnivå. På grund av dessa variationer rekommenderar Sveby ett medelvärde på 80 W per person enligt tabell 5, där också personernas närvarotid per dygn specificeras. Antalet personer i en lägenhet ges av tabell 6.

Tabell 5: Rekommenderad avgiven värmeeffekt från personer tillsammans med närvarotid och personantal [14].

Rekommenderad personvärme

Effekt per person 80 W

Närvarotid per dygn 14 h

Antal personer per lägenhet Enligt tabell 6

Av värmen som alstras från personerna i bostaden antas all värme kunna tillgodogöras av byggnaden.

Personernas genomsnittliga närvarotid rekommenderas av Sveby utifrån studier av Ellegård och Hiller [18, 19]. Värdena på personantalet från tabell 6 bygger på statistik från 3H-projektets enkätstudier [20].

(14)

Tabell 6: Värden för beräkning av antal personer i bostäder [14].

Antal rum och kök 1 ^a) 2 3 4 5+

Antal personer 1,42 1,63 2,18 2,79 3,51

a) Inklusive 1 rum och kokvrå

2.3.6 Tappvarmvattenanvändning

De flesta studier som utförts kring tappvarmvattenanvändningen har utförts på befintlig bebyggelse [14].

Värden från dessa studier är antagligen högre än motsvarande värden hos nyproducerade bostäder då den befintliga bebyggelsen har en varierande ålder på bland annat armaturer. Det kan även vara en betydande skillnad i tappvarmvattenanvändning mellan olika lägenheter. Detta har gjort att Sveby istället tagit fram en standardiserad användning grundad på statistik från nyare byggnader och boendevanor. Svebys rekommenderade värde på tappvarmvattenanvändning hos flerbostadshus är satt till 25 kWh/m²år.

2.3.7 Elanvändning

En byggnads elanvändning innefattar fastighetsel samt hushållsel [14]. Fastighetselen varierar mycket mellan olika bostäder vilket har gjort att det inte tagits fram något schablonvärde för denna post. För husållselanvändningen har Sveby tagit fram ett schablonvärde på 30 kWh/m²,år. Användningen av hus- hållsel kan dock variera en del över året och vara 30 % högre än årsmedelvärdet vintertid och lika mycket lägre än årsmedelvärdet sommartid [21]. Detta påverkar hur mycket av elanvändningen som kan tillgo- dogöras för uppvärmning av byggnaden. Andelen av elanvändningen som byggnaden kan tillgodogöra för uppvärmning antas trots detta vara 70 % under hela året.

2.4 IDA ICE

För att beräkna byggnadens specifika energianvändning, PET samt U_manvändes programvaran IDA ICE, utvecklat av EQUA Simulation AB. IDA ICE är en detaljerad och kraftfull simuleringsapplikation som används för studier av det termiska inomhusklimatet inom individuella zoner i en byggnad, såväl som den årliga energianvändningen för en hel byggnad [22]. I programmet har användaren flera valmöjligheter gällande olika typer av simuleringar. Programmet tillåter användaren att definiera uppbyggnaden hos väggar, golv, tak, fönster och dörrar med de olika material respektive byggnadsdel är uppbyggd av [23].

På så sätt kan alla byggnadsdelar skapas enligt deras riktiga konstruktion med rätt U-värden.

Värmeförluster via köldbryggor i byggnadens klimatskal kan sättas av användaren med antingen egna framtagna värden eller enligt en inbyggd skala i programmet. I den inbyggda skalan kan användaren välja mellan ingen, bra, typisk, dålig eller mycket dålig, där värmeförlusterna ökar ju lägre köldbryg- gorna hamnar på skalan. Byggnadens energibärare för uppvärmning, komfortkyla samt tappvarmvatten är också något som kan specificeras av användaren, som till exempel elektricitet eller fjärrvärme. Även ventilationssystemet kan modifieras och skräddarsys enligt användarens önskemål [22]. Ventilationssyste- met kan till exempel utformas som ett FTX-system där också andra inställningar som verkningsgrad på värmeåtervinningen, SFP, drifttider och så vidare kan justeras.

I de flesta fall består systemet som ska simuleras av en byggnad med flera olika så kallade zoner [22].

Zonerna skapas för att definiera olika rum eller delar i byggnaden där ett flertal inställningar kan göras för att anpassa zonerna efter önskade förhållanden. I en zon kan användaren till exempel ställa in till- och frånluftsflöden, laster i form av elektrisk utrustning, belysning och personer. Användaren har även möjlighet att skapa tidsscheman för att med mer precision styra ovanstående inställningar, till exempel när belysningen är påslagen under dygnets timmar eller när personer är närvarande i zonen. Detta för att på bästa sätt efterlikna det verkliga scenariot. Utöver dessa mer standardiserade inställningar kan användaren även specificera olika max- och min-värden för zonerna gällande temperatur, relativ luftfuk- tighet, CO2-nivåer, dagsljus och tryckdifferenser.

Väder- och klimatdata kan enkelt laddas ner från den inbyggda databasen från ASHRAE som innehåller ett stort antal städer från hela världen [23]. På så sätt kan en simulering av en byggnad ske under de förhållanden som råder på den geografiska plats byggnaden står eller ska uppföras på. Förutom geogra-

(15)

fisk placering kan även byggnadens orientering ställas in. Beroende på hur byggnaden är belägen kan användaren även lägga in solavskärmning från närliggande byggnader samt tryckkoefficienter. Tryckkoef- ficienterna beror på hur vindutsatt byggnaden är och kan fyllas i automatiskt av programmet genom att användaren väljer att byggnaden antas vara utsatt, halvskyddad eller skyddad.

2.5 Andra studier inom CM

Gerlich, Sulovská och Zálešák [24] försöker i sin artikel validera CM genom att jämföra simuleringsresultat med ett riktmärke för mjukvaror som används för simuleringar av värmeöverföring i byggnader. Enligt en rapport av Judkoff och Neymark [25] är tre typer av test rekommenderade för att utvärdera noggrannhe- ten av en numerisk modell. I studien av Gerlich, Sulovská och Zálešák [24] valideras CM genom dessa tre tester som består av analytisk verifikation, jämförelse med andra modeller samt validering med experi- mentella resultat. Testerna tjänar som vägledning i valideringskontroll samt diagnostik för att eliminera programmeringsfel som kan uppstå i simuleringsverktyg. Det andra testet undersöks genom riktmärket Bulding Energy Simulation Test (BESTEST) försedd av International Energy Agency (IEA) i Task 34 [26]. Riktmärket IEA Task 34 baseras på tredimensionell värmeledning mellan rumsgolvet och den yttre jorden. Det tredje testet i studien av Gerlich, Sulovská och Zálešák [24] utfördes genom en jämförelse med uppmätta data i ett riktigt byggnadssegment. Studien visade att resultatet från CM avvek med mindre än 1 % från den analytiska lösningen om ett tillräckligt fint mesh användes. Gerlich, Sulovská och Zálešák menar att den numeriska lösningen av värmeledningen stämmer mycket bra överens med den analytiska bara den numeriska lösaren ställs in på rätt sätt. Vidare fastställer de i sin studie att medelskillnaden i CM är näst lägst vid steady-state test och lägst vid tidsberoende test enligt IEA Task 34. Slutligen konstaterar Gerlich, Sulovská och Zálešák att simuleringsresultaten av temperaturens och värmeflödets beteende stämmer nära överens med uppmätta data och att värmeflödets medelavvikelse är 1,39 %.

I en studie av Prada et. al. [27] undersöks effekten av osäkra termofysiska egenskaper för de numeriska lösningarna av värmeledningsekvationen. Studien visar bland annat att det är uppenbart att resulta- tets precision beror på både variabiliteten av termofysiska data och modellnoggrannheten, men inte på klimatet. Prada et. al. konstaterar vidare att bland de termofysiska egenskaperna av klimatskalet är osä- kerheten beträffande värmeledningsförmågan som inparameter det som påverkar resultatnoggrannheten mest gällande värmeförluster, både utåt vintertid och inåt sommartid.

2.6 Andra studier inom IDA ICE

I ett examensarbete utfört av Gulliksson [28] våren 2015 jämfördes tre mjukvaror som används för simuleringar av byggnaders energiprestanda. I studien undersöktes skillnader mellan IDA ICE, VIP-Energy samt IES Virtual Environment, främst med avseende på simuleringsresultat. Den slutsats som kunde dras från studien var att IDA ICE var bäst lämpat för energi- och klimatsimuleringar av de tre mjukvarorna.

Genom åren under utvecklingen av IDA ICE har ett flertal valideringstester av programmet utförts. Ett valideringstest från 2010 som gjordes gentemot standarden EN 15265-2007 visade att IDA ICE hade en noggrannhetsnivå på 0-8 % för uppvärmning och 0-11 % för kylning [29]. Ur ett annat valideringstest från 2010 där IDA ICE kontrollerades mot ANSI/ASHRAE Standard 140-2004 drogs slutsatsen att IDA ICE 4.0 presterade på en bra nivå [30].

I en annan studie utförd av Kropf och Zweifel [31] undersöktes appliceringen av den europeiska standarden CEN 13791 till IDA ICE. Studien visade att de flesta skillnaderna mellan resultaten från IDA ICE och värdena givna i CEN 13791 inte beror på osäkerheter i programmet, utan på grund av att modellen som utgör grunden för dessa värden innehåller större förenklingar än den noggrannhet som standarden tillåter.

(16)

3 Metod

I detta avsnitt beskrivs tillvägagångssättet för de ingående momenten samt olika typer av metodspecifik data som använts för simuleringarna. Det som beskrivs är byggnadens konstruktion, materialdata samt tillvägagångssätt för simuleringar i CM respektive IDA ICE.

3.1 Byggnadens konstruktion

Uppbyggnaden av byggnadens alla byggnadsdelar presenteras i tabell 7. Vid uppbyggnaden av modulerna i IDA ICE försummades plastfolie och vindpapp då deras bidrag till byggnadsdelarnas U-värden ansågs försumbara. Byggnadens fönster och dörrar konstruerades med U-värden på 1,0 W/m²K. Som teknik- och vindsdörr användes en Daloc S30 med U-värde 1,8 W/m²K [32].

Tabell 7: Byggnadsteknisk beskrivning för alla ingående byggnadsdelar.

Byggnadsdel Konstruktion

Yttervägg - Faspanel liggande 22x145

- Spikläkt 28x70 - 9 mm gipsskiva

- Fasadskiva (50 eller 30 mm)

- 195 mm isolering mellan 195 mm reglar c600 - 45 mm isolering mellan 45 mm reglar c600 - 13mm + 15 mm gipsskiva

Golvbjälklag lägenhetsskiljande - 13 mm golvgips - 22 mm spånskiva

- 300 mm isolering i limträram 45x300 med 300 mm I-balk c600 Takbjälklag - 120 mm isolering i 45x120 regelstomme c600

- 28x70 glespanel c300 - 13 + 13 mm gipsskiva

Gavelspetsar - 28x70 mm spikläkt

- 45x95 mm regelstomme Modulskiljande väggar - 15 mm gipsskiva

- 13 mm gipsskiva

- 95 mm isolering mellan 45x95 mm regelverk c600/c300 - Vindduk

- 30 mm luftspalt - Vindduk

- 95 mm isolering mellan 45x95 mm regelverk c600/c300 - 13 mm gipsskiva

- 15 mm gipsskiva Lätta innerväggar

70 mm isolering i väggar mot wc

- 13 mm gipsskiva

- 45x70 mm regelverk c600 - 13 mm gipsskiva

Golvbjälklag bottenplan - 13 mm golvgips - 22 mm spånskiva

- Limträram 42x300 med 300 mm lättbalkar c600.

- 45 mm stegljudsisolering samt 300 mm randisolering Husgrund - Balk- och plintgrund med 400 mm cellplastisolering

- 100 mm makadam

Balkong - Tryckimpregnerad trätrall 28x120 mm

- Bärläkt, tryckimpregnerad 45x45 mm - Plywood 12 mm

- Reglar 45x145 mm

- Undersida kläs med obrännbar skiva, Cembrit Windstopper 9 mm

(17)

3.2 Köldbryggor i CM

För att erhålla bästa möjliga värden på byggnadens köldbryggor och slippa göra ett antagande om deras inverkan användes COMSOL Multiphysics (CM). Programmet användes för genomföra stationära värmeflödessimuleringar genom de olika typerna av köldbryggor som uppstår i byggnadens klimatskal.

Modellerna för simulering av köldbryggornas effekter samt antaganden kring simuleringarna presenteras i detta avsnitt. Alla modeller ritades upp i 3-D för att på bästa sätt representera de verkliga byggnadsdelarna.

3.2.1 Metodspecifik data

I tabell 8 presenteras de materialspecifikationer som användes vid simuleringarna.

Tabell 8: Materialspecifikationer använda vid simulering och handberäkning.

Material Densitet, ρ [kg/m³] Specifik värmekapacitet, cp [J/kgK]

Värmekonduktivitet, λ [W/mK]

Stillastående luft 1,23 1008 0,025

Trä 500 1600 0,13

Gips 900 1000 0,25

Betong 2300 1000 1,7

Jord 1960 1100 2,0

OSB 650 1700 0,13

Paroc eXtra mineralull 29 1030 0,036

Kingspan fasadskiva K3 35 1470 0,21

Kingspan fasadskiva K12 35 1470 0,020

Isover fasadskiva P31 60 1000 0,031

Cellplast EPS 60 15 1450 0,041

Cembrit Windstopper 1689 1500 0,23

Materialspecifikationer för luft, trä, gips, betong, jord, cellplast och OSB hämtades från standarden SS-EN ISO 10456 [33]. Data för fasadskivor och mineralull erhölls enligt specifikationer från respektive tillverkare [34, 35, 36]. För Isovers fasadskiva antogs den specifika värmekapaciteten vara densamma som för cellglasisolering enligt standarden SS-EN ISO 10456. Cembrit Windstopper, en obrännbar skiva som användes, antogs ha samma termiska egenskaper som ”cement-bonded particleboard” enligt standarden SS-EN ISO 10456. Densiteten hos skivan hämtades från produktdatabladet på Cembrits hemsida [37].

Värmeövergångsmotstånd på in- respektive utsida användes för att beräkna de konvektiva värmeöver- föringskoefficienterna som var nödvändiga för simuleringarna i CM. Dessa tillsammans med använda lufttemperaturer visas i tabell 9.

Tabell 9: Temperaturer, värmeövergångsmotstånd och värmeöverföringskoefficienter för luft i olika områ- den i modellen.

Luftmängd T _◦

C] R [m²K/W ] h [W/m²K]

Inomhusluft 21 Rsi=0,13 7,7

Luftspalt i innervägg,

innertak och golvbjälklag 21 Rsi=0,13 7,7

Utomhusluft -16,2 Rse=0,04 25

Luftspalt i yttervägg -16,2 Rsi=0,13 7,7

Värdena som antogs hos värmeövergångsmotstånden avser medelvärden under uppvärmningssäsongen och hämtades från standarden SS-EN ISO 6946 [38]. Inomhusluftens temperatur valdes enligt Boverkets standard vid energiberäkningar i byggnader [39] och utomhusluftens temperatur enligt den dimensionerande vinterutetemperaturen (DVUT) för Stockholm [40]. Vid simuleringar mot mark sattes marktemperaturen på 10 meter till årsmedeltemperaturen [41]. Årsmedeltemperaturen i Stockholm 2016 var 8,2 ^◦C enligt bilaga A.4.

(18)

3.2.2 Val av mesh

Den finita elementmetoden som CM använder sig av delar upp modellen i små tetraedriska element och skapar på så sätt en ”mesh” [42]. Meshen som används för att diskretisera modellen kan ställas in i olika finhetsgrader. Valet av mesh för simuleringarna gjordes utifrån två aspekter; noggrannhet och tidsåtgång.

En finare mesh som förbättrar beräkningsprecisionen innebär alltid en uppoffring i hastighet och kräver oftast en ökad minnesanvändning. Den bäst lämpade meshen skulle alltså ha både en stor noggrannhet och göra så att simuleringarna gick relativt snabbt. För att säkerställa ett mesh-oberoende resultat jämfördes temperaturfördelningen i väggen över köldbryggan samt köldbryggans värmeflöde för två olika mesh- noggrannheter. De finhetsgrader av mesh som jämfördes var ”Finer” och ”Extra fine” där den senare hade större finhetsgrad än den andra. Modellen som användes för verifieringen av mesh-oberoendet illustreras i figur 2.

(a) Köldbrygga från golvbjälklag genom yttervägg. Områ- det som påverkas från köldbryggan är blåmarkerat i figuren.

(b) Exempel på meshens utseende i finhetsgraden ”Finer”.

(c) Modellen sedd från utsidan snett framifrån med en

”cutline” plottad i rött mellan reglarna.

(d) Modellen sedd från utsidan snett framifrån med en

”cutline” plottad i rött längs med en regel.

Figur 2: Modell som användes för verifiering av mesh-oberoende simuleringsresultat för ”Finer” och ”Extra fine” mesh. Längs ”cutlinen” som markeras i rött i figurerna undersöks temperaturfördelningen i ytterväg- gen.

Området som har ett ökat värmeflöde på grund av köldbryggan är väggpartiet utanför golvbjälklagets förlängning, blåmarkerat i figur 2a. De ”cutlines” som användes för att undersöka temperaturfördelningen i väggen över köldbryggan ritades upp mellan fasadskivan och den utanpåliggande gipsskivan enligt figur 2c och 2d. Den ena ”cutlinen” ritades mellan reglarna enligt figur 2c och den andra längs en regel enligt figur 2d. Resultaten från jämförelsen av temperaturfördelningen i väggen över köldbryggan med de olika mesh-noggrannheterna presenteras i figur 3.

(19)

Figur 3: Temperaturfördelningen över köldbryggans påverkade område längs med och mellan reglar. Tem- peraturfördelningen mellan och längs med reglar med ”Finer” mesh plottades med blå respektive grön heldragen linje. Motsvarande temperaturfördelningar med ”Extra fine” mesh plottades med lila respektive svart streckad linje.

Temperaturfördelningen mellan och längs med reglar med ”Finer” mesh illustreras med den övre gröna respektive nedre blå heldragna linjen enligt figur 3. Motsvarande temperaturfördelningar med ”Extra fine”

mesh illustreras med en svart och en lila streckad linje som överlappar den övre respektive undre heldragna linjen. Enligt figur 3 var skillnaden i temperaturfördelningen för de olika mesh-noggrannheterna försumbar.

En undersökning av värmeflödet genom köldbryggan med ”Finer” mesh gav ett värmeflöde på 2,0751 W/m²och 2,0722 W/m²med ”Extra fine” mesh. Detta innebar en skillnad på tredje decimalen, något som inte ansågs påverka resultatet. De två mesh-jämförelserna påvisade alltså ett mesh-oberoende resultat.

Testet av de två finhetsgraderna gav en tidsåtgång av 4,5 minuter och 45 minuter för ”Finer” respektive

”Extra fine” mesh. Detta tillsammans med att resultatet var mesh-oberoende gjorde att finhetsgraden

”Finer” användes i fortsättningen för att tidsoptimera simuleringarna.

3.2.3 Yttervägg - golvbjälklag

Modellen ritades upp som ett 3x3 meter stort väggparti med ett 2 meter långt snitt av ett golvbjälklag kopplat mot väggens insida. För konstruktion av modellen användes specifikationer presenterade i tabell 7. Den färdiga modellen illustreras i figur 4.

(a) Modell av ytterväggen och golvbjälklaget sett från ”insidan”.

(b) Modell av ytterväggen och golvbjälklaget sett från ”utsidan”.

Figur 4: Modell av köldbryggan som uppstår mellan yttervägg och golvbjälklag.

(20)

Området som påverkas av köldbryggan är väggpartiet utanför golvbjälklagets förlängning, blåmarkerat i figur 4. I väggens luftspalt samt i luftspalten i innertaket sattes konvektiv värmeöverföring med värmeö- verföringskoefficient och temperatur enligt tabell 9. Även inomhus- och utomhustemperatur definierades samt motsvarande värmeöverföringskoefficienter sattes enligt tabell 9. Luft i väldigt små utrymmen, till exempel mellan de modulavskiljande klossarna i ytterväggen, definierades istället som helt stillastående luft med termiska egenskaper enligt tabell 8. För att förenkla och snabba upp modellen ritades ytterpane- len upp som en hel skiva med tjockleken 22 mm. Denna förenkling samt antagande om helt stillastående luft i små utrymmen ansågs inte ha någon betydande inverkan på simuleringsresultaten.

3.2.4 Yttervägg - innervägg

Ytterväggen i denna modell ritades upp på samma sätt som i föregående avsnitt med en längd på 3 meter.

Även väggens höjd sattes till 3 meter. Innerväggen ritades upp enligt specifikationer från tabell 7. Den använda modellen illustreras i figur 5.

(a) Modell av ytterväggen och innerväggen sett från ”insidan”.

(b) Modell av ytterväggen och innerväggen sett från ”utsidan”.

Figur 5: Modell av köldbryggan som uppstår mellan yttervägg och innervägg.

I modellen presenterad i figur 5 användes ingen isolering i innerväggen då majoriteten av alla innerväggar som gränsar mot en yttervägg var innerväggar utan isolering. Temperaturer och konvektiva värmeöverfö- ringskoefficienter på in- och utsida sattes enligt tabell 9. Även i luftspalten i innerväggen sattes konvektiv värmeöverföring på alla ytor. Området som påverkas av köldbryggan är väggpartiet utanför innerväggens förlängning, markerat i blått i figuren.

3.2.5 Yttervägg - husgrund

Som de tidigare beskrivna modellerna ritades även denna modell upp som ett väggsnitt på 3 meter. Då avståndet mellan pålarna som betongbalken vilar på översteg 3 meter försummades dessa i modellen.

Modellen ritades upp med ett golvbjälklag och husgrund enligt tabell 7. Under makadamskiktet ritades ett markskikt som var 10 meter djupt för att markens temperatur skulle kunna sättas till luftens årsmedeltemperatur [41]. Modellen illustreras i figur 6.

(a) Modell av ytterväggen och husgrund sett från insidan.(b) Modell av ytterväggen och husgrund sett från ”utsidan”.

Figur 6: Modell av köldbryggan som uppstår mellan ytterväggen och husgrunden.

I figur 6 är cellplastskiktet under golvbjälklaget markerad i grönt och det underliggande makadamskiktet samt jorden under husgrunden är markerat i brunt. Temperaturer och konvektiva värmeöverföringskoef- ficienter i yttervägg samt golvbjälklag sattes enligt tabell 9. Värmeflödet genom köldbryggan beräknades i sammanfogningen av ytterväggen och golvbjälklaget som gränsar mot uteluft och husgrund.

(21)

3.2.6 Yttervägg - yttervägg

De två ihopkopplade ytterväggarna gjordes i 3 meter långa och 3 meter höga sektioner. Väggarnas konstruktion gjordes enligt tabell 7 och sammanfogningen i hörnet gjordes enligt bilaga A.3. Modellen visas i figur 7.

(a) Ytterväggarnas sammanfogning för modell med fasadskiva sett uppifrån.

(b) Ytterväggarnas sammanfogning för modell utan fasadskiva sett uppifrån.

(c) Modell av ytterväggarna sett från utsidan. (d) Modell av ytterväggarna sett från utsidan.

Figur 7: Modell av köldbryggan som uppstår i hörnskarven mellan ytterväggarna.

I figur 7a) och 7b) visas hörnskarven med respektive utan fasadskiva. I figur 7c) och 7d) visas en mer överskådlig bild över modellen där området som påverkas av köldbryggan är delarna av ytterväggen utanför väggarnas förlänging, markerat i blått. Temperaturer och konvektiva värmeöverföringskoefficienter sattes enligt tabell 9.

3.2.7 Innervägg - husgrund

Innerväggen ritades upp på ett 3x3 meter stort snitt av golvbjälklag och husgrund ovanpå ett 10 meter tjockt markskikt på samma sätt som för modellen beskriven i avsnitt 3.2.5. Den färdiga modellen illustreras i figur 8.

(a) Modell av innerväggen och husgrunden sett snett från sidan.

(b) Modell av innerväggen och husgrunden sett rakt från sidan.

Figur 8: Modell av köldbryggan som uppstår mellan innerväggen och husgrunden.

I modellerna i figur 8 markeras cellplastskiktet i grönt och marken med makadamskiktet i brunt. Inner- och yttertemperaturer samt konvektiva värmeöverföringskoefficienter på in- och utsida sattes enligt tabell 9. På samma sätt som i avsnitt 3.2.5 användes luft i golvbjälklaget med temperatur och konvektiv värmeöverföringskoefficient enligt tabell 9. Även i denna modell användes en innervägg utan isolering.

Värmeflödet genom köldbryggan beräknades genom ytan rakt under innerväggen.

(22)

3.2.8 Tak - innervägg

Modellen av takbjälklag och innervägg ritades upp som en 3x3 meter stor taksektion enligt bilaga A.5. I modellen försummades takkilar samt ovanpåliggande reglar och takplywood. Då det är en luftspalt mellan takisoleringen och takplywooden ansågs denna förenkling inte ha någon större inverkan på simulerings- resultatet. Den färdiga modellen illustreras i figur 9.

(a) Modell av tak och innervägg sett snett från sidan. (b) Modell av tak och innervägg sett rakt från sidan.

Figur 9: Modell av köldbryggan som uppstår mellan tak och innervägg.

Isolering och reglar i tak är markerade i gult respektive brunt enligt figur 9. Temperaturer och konvektiva värmeöverföringskoefficienter sattes enligt tabell 9. Innerväggen konstruerades utan isolering på samma sätt som i tidigare nämnda modeller och värmeflödet genom köldbryggan beräknades genom ytan rakt ovanför innerväggen.

3.2.9 Tak - yttervägg

Modellen av taket- och ytterväggen ritades upp med en takkonstruktion enligt bilaga A.6 och yttervägg- skonstruktion på samma sätt som i övriga modeller. Modellen illustreras i figur 10.

(a) Modell av yttervägg och tak sett från insidan. (b) Modell av yttervägg och tak sett från utsidan.

Figur 10: Modell av köldbryggan som uppstår mellan innerväggen och husgrunden. Blåmarkerat område visar området som berörs av köldbryggan.

Isolering och träreglar i takkonstruktionen är markerat i gult respektive brunt i figur 10. Området som berördes av köldbryggan är det blåmarkerade området på ytterväggen utanför takets förlängning. Tempe- raturer samt konvektiva värmeöverföringskoefficienter för insida, utsida och luftspalt sattes enligt tabell 9. I luftspalten i innertaket sattes konvektiv värmeöverföring med samma konvektiva värmeöverförings- koefficient som på insidan.

3.2.10 Balkong

Balkongen ritades upp enligt specifikationer i tabell 7 samt bilaga A.7.

(a) Modell av balkongkonstruktion sett från utsidan. (b) Modell av balkongkonstruktion sedd från sidan.

Figur 11: Modell av köldbryggan som uppstår mellan balkong och yttervägg.

(23)

Figur 11 visar balkongens konstruktion och ihopkoppling med ytterväggen i höjd med golvbjälklaget.

Temperaturer på in- och utsida samt i luftspalter i yttervägg och balkong sattes enligt tabell 9. Även konvektiva värmeöverföringskoefficienter sattes enligt tabell 9. Värmeflödet genom köldbryggan beräknades genom det område av väggen som täcks av balkongens insida.

3.3 Energisimulering i IDA ICE

Företaget tillhandahöll plan, fasad- och detaljritningar som låg till grund för modellens uppbyggnad.

Skapandet av modellen började med en import av planritningar i IDA ICE. De skalenliga ritningarna anpassades sedan för att stämma överens med skalan i programmet. Enligt ritningar skulle byggnaden stå på en 1,95 m hög ringmur på grund av översvämningsrisk. På uppmaning av handledare på företaget skulle ringmuren bortses ifrån vid simuleringar på grund av att lösningen med ringmuren endast är ett specialfall som används för att få upp byggnaden från marken. Byggnaden ritades därför istället upp direkt på markplattan. När byggnadskropparna ritats upp på markplattan ritades bottenplanet (plan 1) upp i form av individuella zoner upp för att täcka planets alla rum och utrymmen. Zonerna ritades upp i alla rum för att möjliggöra insättning av specifik indata på så noggrann nivå som möjligt. I zonerna sattes också öppningar som fönster och dörrar. För att förenkla modellen ritades trapphus samt hisschakt upp som ett tomt schakt utan viloplan med öppningar mot varje våningsplan. Ett exempel på en planritning med uppritade byggnadskroppar och zoner visas i figur 12. En mer detaljerad bild av planritningen med uppritade zoner visas i figur 13a.

Figur 12: Exempel på planritning som användes för uppbyggnad av modellen. De brun- och blåmarke- rade områdena i figurerna är de inritade byggnadskropparna respektive zonerna. Fönster och dörrar är markerade i turkost respektive gult. De olika beteckningarna utanpå byggnadskropparna representerar fasadbeteckningar.

(24)

(a) Mer detaljerad bild på planritning med inritade zoner. (b) Exempelzon från föregående figur.

Figur 13: Detaljritning på zonfördelning i modellen samt en exempelmodell på en öppnad zon.

I figur 12 och 13a har en planritning importerats i IDA ICE där sedan byggnadskroppar och zoner har ritats ovanpå ritningen. Utöver zoner och byggnadskroppar visas även fasadbeteckningar. Figur 13b visar exempelzonen från figur 13a ritad i 3D. Samma procedur med import av planritning och uppritning av zoner gjordes sedan för resterande plan enligt bilaga A.8. När byggnadens totalt 111 zoner var uppritade gjordes takkonstruktionen följt av uppritning av balkonger och loftgångar enligt plan- och fasadritningar.

Den färdiga byggnaden presenteras i figur 14 samt i figur 15 där den jämförs med använda fasadritningar. När byggnaden var färdigställd påbörjades justeringen av modellens olika byggnadsdelar som tak, väggar, golv, fönster och dörrar enligt företagets leveransbeskrivning från avsnitt 3.1. Figur 16 visar ett skärmklipp från konstruktionen av bostadsmodulens yttervägg från en av de använda modellerna. Övriga byggnadsdelar konstruerades på samma sätt.

Figur 14: Färdig modell av byggnaden sedd från nordostlig riktning.

Då IDA ICE inte tillåter användaren att sätta in regelverk i väggarna, utan bara homogena materialskikt, beräknades först U-värden för alla inhomogena materialskikt i golv, väggar och tak med λ-metoden [43].

Ett exempel på ett inhomogent materialskikt kan vara reglar med mellanliggande isolering eller glespanel med en mellanliggande luftspalt. När U-värdena för de inhomogena materialskikten beräknats skapades materialskikt i de berörda byggnadsdelarna med samma U-värden som motsvarande inhomogena skikt. På så sätt konstruerades alla byggnadsdelar med ett korrekt U-värde som överensstämmer med det verkliga scenariot. Fönster och dörrar konstruerades så att U-värden presenterade i avsnitt 3.1 erhölls.

(25)

(a) Modellens fasad i ostlig riktning. (b) Fasad A1 enligt fasadritning.

(c) Modellens fasad i västlig riktning. (d) Fasad A3 enligt fasadritning.

Figur 15: Jämförelse av byggnadens för modell skapad i IDA ICE och fasader enligt fasadritning.

Figur 16: Skärmklipp från fönster där olika byggnadsdelar kan definieras med olika material och skikttjocklek. I fönstret till höger som klickats fram under ”External walls” visas ytterväggens uppbyggnad i detalj med tjocklek och U-värde.

3.3.1 Indata för simulering

När byggnaden var färdigställd med alla korrekta byggnadsdelar påbörjades all inställning av resterande indata som var nödvändiga för simuleringarna. För att kunna jämföra resultaten med både Boverkets nuvarande och framtida energikrav gjordes simuleringarna med två olika inomhustemperaturer; 21 och 22^◦C. De indata som användes i de olika simuleringsfallen är brukarindata enligt Boverkets BEN 1 [39] och BEN 2 [13] som bygger på värden framtagna av Sveby [14]. All indata som användes presenteras i tabell 10. Vädringspåslaget samt påslaget till fastighetsenergin på 4 respektive 3,2 kWh/m²,år från tabell 10 är energipåslag som lades till i efterhand på simuleringsresultaten. Vädringspåslaget är ett schablonvärde framtaget av Sveby [14] medan påslaget för fastighetselen är hämtad från ett projekt i anknytning till

”Hållbara Ålidhem” [44]. Fastighetseltillskottet består av den energi som användes av fastigheten utöver ventilationssystemet och innefattar exempelvis belysning, el för att driva hissar och så vidare.

(26)

Tabell 10: Indata för simulering i IDA ICE.

Parameter Delparameter Indata

Inomhustemperatur

Bostäder enligt Boverkets brukarindata [39, 13].

Fastighetsutrymmen antaget.

Bostäder gällande krav Bostäder framtida krav Fastighetsutrymmen

21^◦C 22^◦C 17^◦C Klimatfiler i IDA ICE

Klimatzon III enligt BBR BEN 1 [39].

Geografisk justeringsfaktor 1,0 enligt BBR BEN 2 [13].

Ort:

Vindförhållande:

Orientering:

Stockholm, Arlanda Tätort

Balkonger mot sydväst Ventilationssystem och luftflöden

FTX-system med 80 % värmeåtervinning enligt företagets leveransbeskrivning.

Luftflöden enligt Boverket [16]. Samma krav för både gällande samt framtida krav.

Luftflöde bostäder

Luftflöde fastighetsutrymmen Vädringspåslag

0,35 l/s,m² 0,35 l/s,m² 4 kWh/m²,år

Lufttäthet

Lufttäthet enligt specifikationer från företaget. Byggnadens luftläckage 0,36 l/s,m²vid 50 Pa tryckskillnad Tappvarmvatten

Tappvarmvattenanvändning enligt Boverkets brukarindata [39].

Energi 25 kWh/m²,år

Hushållsenergi

Hushållsenergi enligt Boverkets brukarindata [39].

Energi

Energi möjlig att tillgodogöras som värme

30 kWh/m²,år 70 %

Fastighetsenergi

Energipåslag utöver ventilationens elförbrukning enligt resultat från projekt i anknytning till ”Hållbara Ålidhem” [44].

Energi 3,2 kWh/m²,år

Distributionsförluster

Distributionsförluster sattes till ”Typical”

enligt IDA ICE. Av förlusterna kan 50 % tillgodogöras av byggnaden som uppvärmning.

Distr. förl. varmvattencirkulation Distr. förl. tilluftskanal

Förluster mellan zoner

0,5 W/m² 1 W/m²

4 % av total levererad värmeenergi

Personvärme

Personvärme enligt Boverkets brukarindata [39].

Antal personer Tid (h/d/v) Effektavgivning

Enligt tabell 6.

14/7/52 80 W/person

Värden på byggnadens köldbryggor erhölls via simuleringarna i CM enligt metoden beskriven i avsnitt 3.2.

Dessa sattes sedan in i IDA ICE under ”Thermal bridges” enligt bilaga A.9. Byggnadens luftläckage ställ- des in i ”Wind driven flow” under ”Infiltration”, se bilaga A.10, där sedan tryckkoefficienterna ställdes in med antagandet om att byggnaden var ”halvskyddad”. All hushållsel fördelades jämt över byggnadens alla zoner med lägenheter och innefattar till exempel spis, kyl, frys, belysning, TV, och datorer. Hushållselen räknas inte in i byggnadens energianvändning men måste finnas med då den ger upphov till gratisvärme som påverkar byggnadens uppvärmningsbehov. Då det saknades specifikationer kring radiatorer som ska användas i byggnaden användes ”ideal heater” i alla zoner för uppvärmningen. Denna fördelar värmen jämt i den aktuella zonen och avger den effekt som är nödvändig för att hålla den inomhustemperatur som användaren specificerat [22]. Vindsutrymmet i byggnaden var kallt och tilläts ändra sin temperatur efter utetemperaturen, vilket gjorde att någon ”ideal heater” inte användes i denna zon. Eftersom den verkliga byggnaden inte är färdigställd var skuggningseffekter från kringliggande byggnader okända, vilket gjorde att solavskärmning försummades i modellen.

Eftersom lägenheterna i byggnaden bestod av flera olika zoner delades antalet personer i en lägenhet upp på antalet zoner. I en lägenhet med 3 ROK som bestod av fem zoner sattes därför exempelvis 2,18/5 = 0,436 personer i varje zon. I utrymmen som vind, trapphus, hiss och teknikrum försummades värmetillskott från personer då de ansågs befinna sig där endast under korta tidsintervall. Utöver de data kring personvärme specificerade i tabell 10 antogs också normal inomhusklädsel (clo = 1).

(27)

3.3.2 Specifik energianvändning, PET och U_m

Då alla simuleringar var slutförda beräknades den specifika energianvändningen samt PET för fallen med 21 ^◦C respektive 22 ^◦C i inomhustemperatur. Detta gjordes genom användning av ekvation 1 och 3 beskrivna i avsnitt 2.1 och 2.2. Eftersom byggnaden saknade komfortkyla ströks Ekylfrån båda ekvationerna.

I ekvation 3 för beräkning av PET sattes Euppv som uppvärmning med övrig energi då fjärrvärme an- vänds för byggnadens uppvärmning. Vidare användes Stockholms geografiska justeringsfaktor, Fgeo= 1,0.

Byggnadens genomsnittliga värmegenomgångskoefficient, Um, avlästes direkt ur resultattabell som erhölls från simuleringarna.

(28)

4 Resultat

I detta avsnitt presenteras resultat från simuleringarna av köldbryggorna i CM samt energisimuleringar i IDA ICE. Resultaten presenteras i tabell- och diagramform.

4.1 Köldbryggor i CM

Resultaten från simuleringarna av fallet utan extra fasadskiva samt fallen med de olika varianterna av fasadskivor visas i avsnitt 4.1.1 - 4.1.4.

4.1.1 Ingen extra fasadskiva

Tabell 11 visar resultatet från simuleringarna av värmeflöden genom de olika köldbryggorna utan en extra fasadskiva.

Tabell 11: Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet utan extra fasadskiva.

Köldbrygga U-värde (W/m²K) U-värde per meter köldbrygga (W/mK) Yttervägg - golvbjälklag 0,067 0,035

Yttervägg - innervägg 0,122 0,012

Yttervägg - husgrund 0,247 0,099

Yttervägg - yttervägg 0,106 0,067

Innervägg - husgrund 0,047 0,005

Tak - innervägg 0,113 0,011

Tak - yttervägg 0,252 0,081

Balkong 0,162 0,084

Byggnadens olika köldbryggor tillsammans med tillhörande U-värden samt U-värden per meter köldbrygga visas i tabell 11.

4.1.2 Kingspan K3 30 mm

Tabell 12 visar resultatet från simuleringarna av värmeflöden genom de olika köldbryggorna med en 30 mm tjock fasadskiva av modell Kingspan K3.

Tabell 12: Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet med fasadskivan Kingspan K3 (30 mm).

Balkong 0,134 0,070

(29)

4.1.3 Kingspan K12 50 mm

Tabell 13 visar resultatet från simuleringarna av värmeflöden genom de olika köldbryggorna med en 50 mm tjock fasadskiva av modell Kingspan K12.

Tabell 13: Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet med fasadskivan Kingspan K12 (50 mm).

Balkong 0,117 0,061

4.1.4 Isover P31 30 mm

Tabell 14 visar resultatet från simuleringarna av värmeflöden genom de olika köldbryggorna med en 30 mm tjock fasadskiva av modell Isover P31.

Tabell 14: Resultat från simulering av köldbryggor i CM för fallet med fasadskivan Isover P31 (30 mm).

Balkong 0,143 0,075