Värme och kylbehov för en villa förlagd i en klippa
Heating and cooling requirements for a villa located in a cliff
Författare: Stefan Radojevic & Samir Yasin Handledare: Björn Mattsson
Examinator: Ambrose Dodoo Termin: VT20
Kurskod: 2BY04E eller 2BY14E Ämne: Byggteknik
Examensarbete i byggteknik
Sammanfattning
Energianvändning i byggnader ökar för varje dag. Klimatets påverkan och utvecklingen av livet gör att energianvändningen ökar. Därför finns det idag olika regler som ställer krav på att begränsa och göra så att den stora mängden av energianvändning ska minskas.
Exempelvis har Europeiska unionen som mål att minska energianvändningen med 20 procent år 2020 jämfört med år 1990. I Sverige använder byggnader 30 procent av landets totala energianvändning.
Det finns flera åtgärder som kan användas för att minska värme- och kylbehovet i byggnader och därmed också minska energikostnader. I denna studie undersöks om det går att använda marken för att minska värme- och kylbehovet om ett hus förläggs till större delen i berg. En jämförelse görs av värme- och kylbehovet för huset i berget med ett hus på mark med motsvarande utformning och design.
Beräkningar av värme- och kylbehovet har gjorts med ett kommersiellt verktyg för energibalansberäkningar, VIP Energy. Energiberäkningar har utförts för ett helt år för en byggnad placerad i ett klimat som motsvarar klimatet i Malmö. Skillnaden beror till stor del på värmetrögheten som finns i berget, vilket påverkar värme- och kylförluster dels genom att värmen behöver längre väg för att ta sig ut genom berget till markytan, dels genom att berget lagrar både värme och kyla. Tack vare bergets värmetröghet blir byggnadens värmebehov mindre under vintern och dess kylbehov lägre under sommaren.
Resultatet av beräkningarna visar att det totala värme- och kylbehovet för byggnaden i ett berg med en värmekonduktivitet på 1,4 W/mºC är 80 procent relativt byggnaden placerad på mark. Skillnaden är störst för kylbehovet, vilket för byggnaden i berg är 5722 kWh/år och för byggnaden på mark är 7466 kWh/år vilket betyder ett 23 procent högre kylbehov i huset på mark jämfört med huset under marken. Värmebehovet för samma hus under marken är 12551 kWh/år jämfört med huset på mark som är 15258 kWh/år, vilket visar ett 18 procent högre värmebehov i huset på marken. Den totala besparingen i värme- och kylbehovet för byggnaden under marken är 20 procent jämfört med huset på mark.
Vid jämförelse av huset under mark, där berget har värmekonduktiviteten 3,0 W/mºC, med huset på mark visar resultatet att huset under marken har ett 17 procent lägre värme- och kylbehov. Det innebär att skillnaden är 3 procent mindre än i det fall då marken har en värmekonduktivitet på 1,4 W/mºC.
Abstract
En stor del av energianvändningen i Sverige används av byggbranschen som uppskattas använda 30 procent av den totala energianvändningen. Därför finns det regler idag som ställer krav för att minska denna energianvändning.
I denna studie har en undersökning gjorts av om det går att använda marken för att minska en byggnads värme- och kylbehov. Studien går ut på att beräkna värme- och kylbehovet för ett hus placerat i berg och jämföra det med ett motsvarande hus placerat på mark.
Ett klimat motsvarande Malmös valdes för att beräkna värme- och kylbehovet och beräkningarna gjordes med hjälp av programvaran VIP-Energy. Värmetrögheten som finns i berget påverkar värme- och kylförluster genom att värmen behöver längre väg att ta sig ut genom berget till markytan och att temperaturförändring är mycket trögare än i luften.
Huset under marken med ett berg med värmekonduktiviteten 1,4 W/mºC visade 20 procent lägre värme- och kylbehov jämfört med samma hus placerat på mark. För huset under mark med ett berg med värmekonduktiviteten 3,0 W/mºC är värme- och kylbehovet 17 procent lägre jämfört med samma hus placerat på mark.
Nyckelord: värme- och kylbehovet, värmetröghet, värmeåtervinning, energianvändning, Vip-Energy, värmekonduktivitet
Abstract
A large part of the energy use in Sweden is used by the construction industry, which is estimated at 30 percent of the total energy demand in the country. Therefore, there are regulations today that impose requirements to potentially reduce this energy use.
In this study, the focus is on using the ground to reduce the energy demand in a building due to its energy storage capabilities and heat inertia. The study is aimed at reducing the cooling and heat loss of a house placed inside a cliff and also comparing it with an identical conventional house placed on the ground.
A climate corresponding to that of Malmö was chosen to calculate energy savings regarding heating and cooling demands for both houses using VIP-Energy software. The heat inertia of the ground, in this case the mountain rock, affects heat and cooling losses because the energy needs longer path to travel through the mountain to the ground surface as well as due to the fact that temperature change is much slower in the ground than in the air.
The house below ground with thermal conductivity of 1.4 W/mºC showed 20 percent lower cooling and heating demand compared to the identical house above ground. For the house below ground with thermal conductivity of 3.0 W/mºC the heating and cooling demand is 17 percent lower compared with the identical house on the ground.
Keywords: heating and cooling requirements, heat inertia, heat recovery, energy use, VIP-Energy, heat conductivity
Förord
Denna studie är genomfört under vårterminen 2020 på Linneuniversitet Växjö inom programmet byggnadsutformning. Ett stort tack till vår handledare Björn Mattsson som är universitetslektor på institutionen för byggteknik vid Linneuniversitet Växjö som under arbetets gång visade stort vetskap och engagemang inom ämnet och varit väldigt hjälpsam sedan början av arbetet.
Vi vill också tacka Ambrose Dodoo, docent på institutionen för byggteknik på LNU, som har hjälpt vid användandet av energiberäkningsprogrammet Vip-Energy.
Stefan Radojevic & Samir Yasin Växjö, juni 2020
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.1 Problembeskrivning ... 1
1.2 Syfte och mål ... 2
1.3 Avgränsningar ... 2
2 Teoretiska utgångspunkter ... 3
2.1 Begreppsförklaringar ... 3
Energieffektivitet ... 3
U-värde ... 3
Värmekonduktivitet ... 3
2.2 Byggnadens klimatskal ... 3
Konstruktioner mot mark ... 4
Fönster ... 4
Yttervägg och takkonstruktioner ... 4
2.3 Ventilation ... 4
Värmeåtervinning... 5
FTX-system ... 5
2.4 Värmetillskott ... 5
2.5 Krav på byggnaders energiprestanda ... 6
Boverkets byggregler, BBR ... 6
Boverkets energiregler om normalt brukande, BEN ... 8
2.6 Energibalans i byggnad ... 8
2.7 Forskning och kunskapsläget för underjordiska byggnader ... 9
3 Metod ... 11
4 Genomförande ... 13
4.1 VIP-Energy ... 13
4.2 Revit och Lumion ... 17
5 Resultat ... 21
5.1 Värme- och kylbehov för hus... 21
5.2 Värme- och kylbehov för hus i två marktyper ... 21
5.3 Energiprestanda ... 22
5.4 Transmissionsförluster ... 22
5.5 Procentuell användning av värme och kyla ... 23
5.6 Nyckeltal ... 24
5.7 Tidsindelad energibalans... 24
6 Analys ... 25
6.1 Specifikation av tillförd energi ... 25
6.2 Värme- och kylbehov ... 27
7 Diskussion ... 29
7.1 Teori och metod ... 29
7.2 Resultat ... 29
8 Slutsatser... 31
Referenslista... 33
Bilagor ... 1
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Människor har sedan lång tid tillbaka inrättad bostäder i berg och helt eller delvis i mark.
Anledningarna har skiftat. Grottor utgjorde naturliga förutsättningar för en bostad för tidiga människoarter. Andra bostäder har skapats i berg av människan, exempelvis i Kappadokien i nuvarande Turkiet, Vardezia grottstaden i Georgien och Domus Civita i Italien som är från 1400-talet (Bron 2017). Det finns även Sala silvergruva här i Sverige som ligger 155 m under marken och används som en attraktion för turister med rum och spännande urgröpningar att utforska. Det finns många fler exempel runt om i världen där människor har använt grottor och berg för att vistas.
I modern tid har bostäder byggts helt eller delvis i mark och i berg på en mängd platser på jorden. Hillside home i Schweiz är ett känt exempel på ett hus under markytan.
Ytterligare exempel är Dietikon, också i Schweiz, Dune house i USA, Bolton eco house i England och många fler (Baron 2017).
Det finns både för- och nackdelar med att bygga underjordiska bostäder. Nackdelar kan vara att det inte finns många företag som bygger sådana hus eller har erfarenhet av att bygga dem. Finansiering kan också vara svår att få ifall en långivare inte hittas som har erfarenhet av att värdera den här typen av byggnader. Andra nackdelar innebär själva utformningen som tillgång till dagsljus, tillgänglighet, utblick och utrymning i händelse av brand.
En fördel kan vara att markytan inte behöver tas i anspråk på samma sätt som för konventionella hus. Ljudisoleringen mot buller i omgivningen kan vara en annan fördel.
Ytterligare en fördel är att behovet av energi för värme och kyla kan minska från 23 till 80 procent enligt Van Dronkelaar, Costola, Mangkuto & Hensen (2014). De hänvisar till flera studier som har genomförts där underjordiska byggnader i olika jordarter har jämförts med liknande konventionella byggnader i olika delar av världen för att utnyttja de olika klimat och visa variation i värme och kylbehov beroende på var byggnaden befinner sig, hur djupt den ligger i marken samt klimatet den befinner sig i.
1.1 Problembeskrivning
I dag åtgår 18 till 73 procent av den slutliga energiförbrukningen i bostadssektorn i världen till att värma respektive kyla byggnader enligt studier av Urge-Vorsatz, F.
Cabeza, Serrano, Berreneche & Petrichenko (2015). Kan den mängden minskas genom att utforma byggnader på ett mera energieffektivt sätt kan människans påverkan på klimatet minskas. Om priset för att minska energibehovet med 23-80 procent är att bygga delvis under mark där det finns sämre förutsättningar för dagsljus, tillgänglighet, och utblick, kan det ändå vara värt att göra det. Kan en bra utformning dessutom lösa problem med dagsljus, tillgänglighet, utblick och utrymning blir det allt mer värt.
Med dagens klimat som blir allt varmare skulle hus helt eller delvis i mark kunna vara en del av olika lösningar för att minska vårt energibehov och mänsklig påverkan på klimatet.
I ett framtida varmare klimat i Sverige kan behovet av att kyla bostäder öka. Att bygga helt eller delvis under marken skulle kunna minska behovet av aktiv kyla eftersom temperatur i mark inte varierar lika mycket som lufttemperaturen över året.
1.2 Syfte och mål
Syftet är att undersöka energimässiga fördelar med att bygga en bostad omgiven på fyra sidor av berg. Målet är att beräkna hur värme- och kylbehovet påverkas i en bostad som omges av berg på fyra sidor och att jämföra med värme- och kylbehovet i samma hus placerat på mark.
1.3 Avgränsningar
Värme- och kylbehov för byggnaden i klippan jämförs med en konventionell byggnad utan att ta hänsyn till energikällan för tillförd eller bortförd värme eller el. Fokus ligger på själva berget, och hur det påverkar byggnadens behov av värme och kyla. Samhällets krav på energihushållning och högsta tillåten energiprestanda avser primärenergi. I detta arbete studeras dock endast värme- och kylbehov oberoende av primär energikälla. För att kunna undersöka klimatets betydelse för värme- och kylbehovet valdes Malmö för dess varmare klimat.
Även om byggnaden är utformad för att uppfylla samhällskrav angående dagsljus, tillgänglighet, utblick och utrymning avgränsas arbetet till att endast jämföra och utvärdera byggnadens värme- och kylbehov.
2 Teoretiska utgångspunkter
2.1 Begreppsförklaringar
Energieffektivitet
Är ett begrepp som används för att beskriva och jämföra nyttan av olika åtgärder för att minska den mängd energi som behöver tillföras för ett visst syfte exempelvis att värma eller kyla en byggnad. Genom att öka energieffektiviteten i byggnader kan både
samhällets kostnader för energi och den negativa påverkan på miljön minska. Genom att bygga mera energieffektiva byggnader kan samma nytta erhållas med mindre
energianvändning. Det kan tillexempel uppnås genom användning av olika tekniska lösningar för att värma och kyla en byggnad eller genom att utforma byggnaden och dess klimatskal så att behovet minskar.
U-värde
Är ett mått som används i byggnader för att visa värmeisoleringsförmågan hos en byggnadsdel, exempelvis väggar, tak och fönster. Det genomsnittliga U-värdet för en byggnads klimatskal är ett mått som kan användas för att bedöma värmeisolerings- förmågan hos hela byggnaden. Ju lägre genomsnittligt U-värde desto större
värmeisoleringsförmåga och dessutom mindre behov av att tillföra värmeenergi som kompensation för den värme som förloras genom byggnadsdelarna. Enheten för U-värde är W/(m2 K).
Värmekonduktivitet
Kallas även för värmeledningsförmåga eller termisk konduktivitet. Det är egenskapen hos ett material som indikerar materialets förmåga att leda värme. Värmekonduktivitet mäts i enheten W/(m·K), watt per meter och kelvin. Värmeledningsförmågan skiljer sig från material till material. Exempelvis har mark som består av jord och lera låg
värmeledningsförmåga medan olika typer av bergarter som gnejs och granit har högre värmekonduktivitet.
2.2 Byggnadens klimatskal
Byggnadens klimatskal utgörs av delar som avgränsar inomhusluften mot utomhus eller mot mark. Genom byggnadens klimatskal sker värmeutbytet med omgivningen via transmission. Hur snabbt en temperaturförändring utomhus påverkar värmeflödet på insidan beror på hur värmetrögt klimatskalet är. Lätta konstruktioner med liten massa reagerar relativt snabbt medan tunga konstruktioner med en stor massa reagerar långsammare.
I ‘Praktiskt byggnadsfysik’ av Sandin (2010) förklaras skillnaden mellan tunga och lätta konstruktioner. Olika material ”dämpar” luftens temperaturförändringar olika snabbt. En viss volym betong kräver exempelvis mer värmeenergi för att höja dess temperatur än det behövs för samma temperaturökning i en lika stor volym mineralull. Betongen har ett större volymetriskt värmemagasin än mineralull och i praktiken innebär det att betong har en större temperaturutjämnande effekt. Vid avbrott av värmetillförseln sjunker därför inte inomhustemperaturen lika snabbt i ett hus med betongstomme som i ett hus med
träregelstomme, då värmelagringen är större hos betong och den fungerar som värmekälla vid tillfälligt uppvärmningsavbrott.
Konstruktioner mot mark
Sandin (2010) beskriver angående konstruktioner mot mark, såsom källarvägg och platta på mark, att värmeflödet är flerdimensionellt och komplicerat. Vid uppvärmning av en ny byggnad bildas genast en värmekudde under byggnaden, där värmeflödet inifrån och ut kommer att vara fasförskjutet i relation till temperaturdifferensen mellan inne- och uteluften på grund av markens värmetröghet. Beräkning av värmeflöde för golv är komplicerat eftersom en punkt nära ytterväggen har mindre avstånd till uteluften än en punkt mitt under byggnaden. För att göra mer exakta beräkningar av värmeförluster via mark krävs därför datorberäkningar. Markens dämpning och tidsförsenande effekter måste beaktas. Dessa beräkningar är viktiga då 30 procent av de totala värmeförlusterna förloras genom golvet via transmission enligt Hagentoft (1988).
Fönster
Enligt Sandin (2010) sker värmeflödet i fönstret genom karm, båge och glas. I
traditionella tvåglasfönster förlorades mindre värme genom karm och båge jämfört med nyare treglasfönster där glaspartiet har bättre värmemotstånd än karm och båge. Det beror på att moderna glas är belagda med lågemissionsskikt och att utrymmet mellan glasen är fyllda med exempelvis argon som har lägre värmekonduktivitet än luft. Lågemissions- skikt är osynliga. De släpper igenom den kortvågiga strålningen från solen, men
reflekterar en betydande del av den långvågiga infraröda värmestrålningen vilket gör att värmen stannar kvar inomhus.
För god energihushållning eftersträvas det att minska värmeförlusterna inifrån och ut genom fönstret samtidigt som den infallande solstrålningen tillvaratas. I vissa fall måste infallande solinstrålningen begränsas för att undvika övertemperatur inomhus. Det finns olika sätt att avskärma solljus. Det kan göras genom att välja särskilda solskyddsglas, genom utvändig solavskärmning såsom markiser, genom persienner mellan eller innanför glasen eller genom mer avancerad teknologi som elektrokroma glas.
Elektrokroma folier är en teknologi som gör kan varieras mellan helt genomskinligt eller helt dimmat för att minska solinstrålning och kylbehov (Cromogenics 2020). Folierna regleras av en elektronisk styrenhet för att automatisk justera deras färgton och soltransmittans genom en låg elektronisk spänning.
Yttervägg och takkonstruktioner
Värme förloras via ytterväggar och takkonstruktioner via transmission. Särskilt stora värmeförluster kan förekomma genom köldbryggor. Köldbryggor uppstår vid anslutningar mellan exempelvis bjälklag och yttervägg, samt runt fönster och dörrar.
Köldbryggor uppstår också i en konstruktionsdetalj där material med dålig värmeisolering bryter igenom material med god värmeisolering (Sandin, 2010). I en vägg under mark påverkas dess värmeförluster positivt då marken bidrar till väggens U-värde och markens värmetröghet gör dessutom att temperaturförändringar i utomhusluften påverkar
värmeförlusterna med en större eller mindre tidsförskjutning.
2.3 Ventilation
Varje byggnad måste ha ventilationssystem som tillför frisk utomhusluft till byggnaden och för bort förorenad luft och elak lukt från människor, byggnadsmaterial eller andra material i en byggnad. Om inte förorenad luft bortförs och ny frisk luft tillförs i tillräcklig omfattning kan inomhusluften påverka människors hälsa negativt. Dessutom för
ventilationen bort det fukttillskott som vanligtvis finns i inomhusluften, vilket annars påverkar byggnadens konstruktion och dess beständighet negativt. Ventilation av en
byggnad kräver energi i form av värme och för byggnader som har ett mekaniskt ventilationssystem även elenergi för fläktar (folkhalsasverige.se 2020).
Riktvärden på ventilationsflöde är enligt folkhälsomyndigheten (FoHMFS 2014:17) är i bostäder minst 0.5 oms/h eller 0.35 l/s/m². I Boverkets byggregler (BFS 2011:6) är kravet att ventilationssystem i bostäder ska utformas för ett lägsta uteluftflöde motsvarande 0,35 l/s per m2 golvarea.
Värmeåtervinning
Är en metod som i allt högre grad används för att minska värme- och kylbehov och därmed energikostnader för byggnader. Genom att återvinna värme i frånluften för att värma tilluften används någon form av värmeväxlare. Vanligtvis kan cirka 60-95 procent av värmen i frånluften återvinnas och därmed förbättra energieffektiviteten i byggnader.
Användning av värmeåtervinning visar att den slutliga energiförbrukningen kan minskas med upp till 20 procent i kalla klimat (Mardiana-Idayua & Riffat 2011).
Det finns flera olika metoder för att återvinna värme i ventilationsluften.
Värmeåtervinningen kan ske genom en roterande värmeväxlare, en plattvärmeväxlare eller en vätskekopplad värmeåtervinning i en batterivärmeväxlare (Warfvinge &
Dahlblom 2010).
FTX-system
Förkortningen FTX står för från- och tilluft med värmeåtervinning. Ett FTX-system kräver ett kanalsystem genom vilket huset ventileras med hjälp av en frånluftsfläkt och en tilluftsfläkt. Värmeväxlaren i ett FTX-system kan vara utformad antingen som en
roterande värmeväxlare eller som en plattvärmeväxlare. En nackdel med en roterande värmeväxlare är att det finns viss risk för luktöverföring och fuktåterföring. Fördelar är att den ger ett lågt tryckfall och därmed låg fläkteffekt, samt att den är enkel att rengöra. I en plattvärmeväxlare sker ingen lukt- eller fuktöverföring. Däremot är påfrysningsrisken och avfrostning ett större problem i denna typ (Warfvinge & Dahlblom 2010).
Fördelar med FTX-system är att
- de kan medföra bättre kvalitet och filtrering av tilluften,
- stora mängder tilluft kan tillförs dragfritt eftersom tilluften kan förvärmas, - de fungerar oavsett väderlek och
- de har en god förmåga att återvinna värme i frånluften (Warfvinge & Dahlblom 2010).
Nackdelar med FTX-system är att - ljudstörningar kan uppstå
- det krävs ett kontinuerligt underhåll av systemet, - fläktarna använder el
- luftintag kanaler och luftdon kräver planering av placeringen och
- det krävs platsutrymme för kanaler och fläktrum (Warfvinge & Dahlblom 2010).
2.4 Värmetillskott
I handboken ’’Projektering och VVS installationer’’ visar Warfvinge & Dahlblom (2010) de två viktigaste faktorerna som påverkar kylbehovet i byggnad: solinstrålning och interna laster. Värme från solinstrålning beror på skuggning från omgivningen,
solavskärmning, val av fönster samt geografisk position. Instrålad solenergi beräknas till
cirka 400 – 500kWh per år genom ett tre-glas fönster. Solinstrålningens värme kan också justeras beroende på fönstrets g-värde. G-värde är ett värde som visar hur stor andel av energin i solinstrålningen som ett fönsterglas släpper igenom. Det mäts i procent och har ett värde mellan 0 och 100. Ju lägre värde desto bättre solskydd har glaset.
Förutom värmetillskott från solinstrålning erhålls värme från människor, belysning, elektriska apparater och fastighetsenergi. Enligt brukarindata från Sveby (2012) bör det i en värme- och kylbehovs beräkning exempelvis används 80 Watt för värme från en människa, 200 Watt för värme från en dator och för belysning 10 – 15W/m² golvarea i en bostad.
2.5 Krav på byggnaders energiprestanda
Samhället ställer krav på byggnaders energiprestanda. Det görs genom plan- och bygglagen (2010:900) och Boverkets tillämpningsföreskrifter, BBR.
Boverkets byggregler, BBR
I Boverkets byggregler, BBR, ställs samhällets krav på byggnaders tekniska egenskaper.
Reglerna innehåller föreskrifter och allmänna råd och Boverket är den statliga myndighet som har ett bemyndigande att föreskriva om de tekniska egenskaper som anges8 kap. 4 § i plan- och bygglagen (2010:900) som gäller för svenska byggnader. Olika avsnitt behandlar olika tekniska egenskapskrav. Ett av kraven gäller energihushållning.
Det finns andra tekniska egenskapskrav när det gäller säkerhet i händelse av brand, samt hygien hälsa och miljö. Dessutom ställs krav på tillgänglighet. Brand skador kan
begränsas genom att följa BBR krav där varje byggnad skall ha ett byggnadstekniskt brandskydd och olika krav beroende på byggnadens typ. Brandskydd kravet enligt BBR fokuseras på olika brandtekniska klasser som har olika förutsättningar. Möjlighet till utrymning vid brand, skydd mot uppkomst av brand, skydd mot utveckling och spridning av brand och brandgaser inom byggnader, skydd mot brandspridning mellan byggnader och möjlighet till räddningsinsatser (BBR avsnitt 5).
Dagsljuset är viktigt för att undvika skaderisker och olägenheter för människors hälsa och det är ljuset som kommer in genom fönstret direkt mot fria utrymmen. Kravet för
dagsljuset enligt BBR är att rum eller delar av rum skall utformas så att de skall ha tillgång till direkt dagsljus där människor vistas mer än tillfälligt.
Andra tekniska egenskapskrav exempelvis gäller säkerhet i händelse av brand, samt hygien hälsa och miljö. Dessutom ställs krav på tillgänglighet.
2.5.1.1 Energihushållning
Att värma eller kyla luften i en byggnad är det viktigt att ta hänsyn till inomhusenergi och hur energianvändningen skall begränsas. För att hushålla energi i byggnader måste de uppfylla olika nivå som Boverket ställer krav för. Kravet på energihushållning kan vara att en byggnad skall begränsas när det gäller antal kilowattimmar per kvadratmeter och år samt kravet på installation av mätsystem i byggnaden, luftbehandling, kyl-, värme-, värmeisolering och effektiv elanvändning (BBR avsnitt 9).
Utformning av byggnader är viktigt för att begränsa energianvändningen genom effektiv värmetillförsel, låga värmeförluster, lågt kylbehov och användning av kyl och el
(Boverkets byggregler, BBR, BFS 2011:6 med ändringar till och med BFS 2019:2).
I tabell 1 återges krav på energihushållning i Boverkets byggregler (BFS 2011:6). För småhus är kravet att högst 90 kWh får användas per m2 golvarea och år när det gäller primärenergi. I Bilaga 2 visas formeln för beräkning av primärenergital. Under tabellen finns återgivet den förklaring till tabellen som ges i reglerna.
Tabell 1. Krav på byggnadernas energiprestanda enligt Boverkets byggregler Energiprestanda
uttryck som primärenergital (EPpet) [kWh/m2 Atemp
och år]
Installerad eleffekt för uppvärmning (kW)
Genomsnittlig
värmegenomgångskoefficient (Um) [W/m2 K]
Klimatskärmens genomsnittliga luftläckage vid 50 Pa tryckskillnad (l/s m2)
Bostäder
Småhus 90 4,5 +
1,7 x (Fgeo1– 1)
0,40 Enligt avsnitt 9:26
Småhus där Atemp är mindre än 50 m2
Inget krav Inget krav 0,33 0,6
Flerbostadshus 85 4,5 +
1,7 x (Fgeo – 1)
0,40 Enligt avsnitt 9:26
Lokaler
Lokaler 80 4,5 +
1,7 x (Fgeo – 1)
0,60 Enligt avsnitt 9:26
Lokal där Atemp
är
mindre än 50 m2
Inget krav Inget krav 0,33 0,6
”Tabell 1 visar högsta tillåtna primärenergital, vilket är ett värde som beskriver bygg- nadens energiprestanda uttryckt som ett primärenergital. Primärenergitalet utgörs av byggnadens energianvändning, där energi till uppvärmning har korrigerats med en geografisk justeringsfaktor (Fgeo), multiplicerat med primärenergifaktor för energi- bärare och fördelat på Atemp (kWh/m2 och år).” (BFS 2011:6)
2.5.1.2 Termiskt klimat
Installationer av byggnader ska enligt en föreskrift i BBR (BFS 2011:6) utformas så att ett tillfredsställande termiskt klimat kan erhållas. Med ett tillfredsställande termiskt klimat avses enligt BBR när termisk komfort uppnås i vistelsezonen. ”Byggnader och deras installationer ska utformas så att termisk komfort som är anpassad till utrymmenas avsedda användning kan erhållas vid normala driftsförhållanden”. Rum eller avskiljande delar av rum där människor vistas mer än tillfälligt har krav på termisk komfort. Den mäts genom något som kallas operativ temperatur som är en sammanvägning av luftens temperatur och medelstrålningstemperaturen från omgivande ytor (Warfvinge &
Dahlblom 2010).
Operativtemp. = luftens temp. + medeltemp. på omgivande ytor/2
”I ett allmänt råd anges ett antal kriterier för att termisk komfort ska kunna uppnås.
Utformning av byggnader vid dimensionerande utetemperatur bör vara så att lägsta temperaturen i vistelsezonen räknas med att vara 18 ºC i arbets- och bostadsrum och 20 ºC i hygienrum, vårdlokaler och rum för barn och äldre i t.ex. förskolor eller servicehus och liknande. Fem Kelvin är den högsta tillåtna temperaturdifferenser i olika
1 Geografisk justeringsfaktor.
punkter i rummets vistelsezon. Den lägsta yttemperatur på golvet under vistelsezonen är 16 ºC, men när det gäller hygienrum är den 18 ºC. I rum för barn räknas med att vara lägst 20 ºC och 26 ºC högst. Lufthastighet under uppvärmningssäsongen från ventilationssystemet i ett rum skall räknas med att inte stiga över 0.15 m/s och under året bör inte stiga över 0,25 m/s”. (BBR, 6:42 Termisk komfort).
Boverkets energiregler om normalt brukande, BEN
Brukarindata som anges i tabellen nedan ska enligt Boverkets föreskrifter och allmänna råd (2016:12) om fastställande av byggnadens energianvändning vid normalt brukande och ett normalår användas vid beräkning av byggnadens energianvändning för småhus. I tabell 2 redovisas de data som ska användas.
Tabell 2. Krav på byggnadernas energianvändning vid normalt brukande
Parameter Delparameter Delparameter Värden
Innetemperatur Uppvärmningssäsong (°C)
Utrymmen för bostadsändamål
21
Luftflöden Behovsstyrda flöden (min/dygn) Vädringspåslag (kWh/m2 Atemp år)
Forcering i kök Energipåslag
30 4/ηuppv2)
Solavskärmning Avskärmningsfaktor Total Fast och rörlig
0,5 0,71 och 0,71 Tappvarmvatten Energi
(kWh/m2 Atemp år)
- 20/ηtvv3)
Hushållsenergi Energi
(kWh/m2 Atemp år) Internlast (%)
Möjlig att tillgodogöras
30 70
Personvärme Antal personer Tid (h/d/v) 3) Effektavgivning (W/person)
- -
2.6 Energibalans i byggnad
Enligt Warfvinge & Dahlblom (2010) energibalans för en byggnad påverkas av tillskott samt förluster. Tillskott består av två typer av värme, passiva och aktiva. Passiv värme avges från belysning, aparater, personer och solvärmeinläckage och aktiv värme kommer från radiatorer, braskamin, golvvärme och luftvärmning. Förluster består främst av transmission genom väggar och dörrar, ventilation och avlopp.
2 Årsverkningsgraden för uppvärmningssystemet.
2.7 Forskning och kunskapsläget för underjordiska byggnader
I en artikel av Shi, Zhang, Li, Lou & Liu (2018) hänvisar de till ett antal undersökningar av underjordiska byggnader. Av artikeln framgår det att det finns flera fördelar med underjordiska byggnader när det gäller energieffektivitet. Det beror på markens värmelagringskapacitet och temperaturstabilitet och att det är skälet till underjordiska byggnaders lägre uppvärmnings- och kylbehov (Staniec & Nowak 2011). De hänvisar också till flera olika forskare som har visat genom olika tvådimensionella och
tredimensionella beräkningar av underjordiska byggnader att energibesparingen är mer än 23 procent jämfört med liknande byggnader ovan mark (Staniec & Nowak 2011; Al- Mumin 2001; Barker 1986; Christian 1984).
3 Metod
Vip-Energy (Strusoft, 2020) har använts för att beräkna energianvändning och värme- och kylbehov i byggnaderna under ett helt år. Programmet är en kommersiell produkt som används för att beräkna värme och kylbehovet i byggnader
(https://strusoft.com/products/vip-energy).
Autodesk Revit har använts för att rita modellen i 3D för att kunna förenkla och förstå hur byggnaden skulle kunna utformas i verkligheten och hur olika detaljer skulle kunna se ut.
Lumion och Adobe Photoshop användes för att rendera modellen så den ger ett verklighetstroget intryck.
I Vip-Energy lades all data in som krävdes för att beräkna värme och kylbehov för att få fram skillnaden på slutliga resultat för båda konventionella huset och huset som ligger i berget.
Behovet av energi kan variera från en plats till en annan beroende på klimatet. För att kunna undersöka klimatets betydelse för värme- och kylbehovet valdes därför Malmö för dess, i ett svenskt perspektiv, varmare klimat som har lägsta och högsta
utomhustemperatur (-8 och +27).
För inhämtning av kunskapsläget när det gäller byggnader placerade under mark har artikeldatabaserna ScienceDirect och Google Scholar använts. Dessutom har diverse tryckt litteratur och myndighetsföreskrifter studerats.
4 Genomförande
Vid genomförandet användes två programvaror: Revit 2020 och VIP-Energy 4.2.2. Revit användes för att utforma byggnaden i klippan. Med hjälp av Revit-modellen togs data fram såsom golv- och väggarea, fönster- och dörrarea, samt byggnadens orientering för vidare användning i VIP energy.
Huset i klippan gavs en fasad med riktning mot söder, medan de andra väggarna ligger inne i berget. Husets platta tak ligger i marknivå med takfönster i hallen för insläpp av dagsljus.
I BBR ställs ett antal funktionskrav. Dessa har inte närmare studerats, men byggnaden i klippan har trots det utformats för att uppfylla några av de viktigaste kraven.
Utrymningskravet har uppfyllts genom att placera en hiss från mark till plan 1 och 2 under mark samt en trappa mellan de två planer under mark. På det sättet skapas två utrymningsvägar.
Dagsljuskrav och utblick uppfyller kraven i BBR på rum där människor vistas mer än tillfälligt vilket gör att de har direkt tillgång till dagsljus. Kravet på tillgänglighet uppfylls genom installationen av hissen.
4.1 VIP-Energy
I VIP-Energy användes tidigare insamlad data från Revit där en fil skapades för respektive byggnad. Den första filen innehåller data gällande huset i klippan och den andra innehåller motsvarande data för huset på mark.
I programmet finns ett system för att lägga in data för olika byggnadsdelar med mera. Där konstruerades byggnadsdelarnas uppbyggnad av olika material och dimensioner.
Programmet räknar utifrån denna data ut de olika delarnas U-värden. Figur 1 visar ett exempel på programvarans gränssnitt för detta system. I Figur 2 visas ett exempel på olika byggnadsdelars areor, U-värden och andra relevanta data.
Figur 1. Ett exempel på var indata för en dimensionell byggdel.
Figur 2. Husets uppbyggnad under fliken projektdata.
Byggnadsdelarnas orientering angavs för delar över mark i den gula kvadraten. För delar under mark angavs deras avstånd till markytan. Exempelvis betyder BW i Figur 2 källarvägg djupare än två meter under mark. Arean på dessa byggdelar fylldes i utifrån data från Revit. Markegenskaper angavs för beräkningar av två olika marktyper med olika värmekonduktivitet (λ). I ett fall användes värmekonduktivitet på 1,4 W/(m·ºC). I det andra fallet användes 3,0 W/(m·ºC). Markens värmekonduktivitet visas i Figur 2 inringad av den röda rektangeln. Dessa två marktyper ska representera sedimentära bergarter, där kalksten simuleras i programmet med 1,4 W/(m·ºC) och skiffer simuleras med 3,0 W/(m·ºC).
I programmet angavs också hur de olika delarna av byggnaden ansluts tillvarandra. Till exempel hur ytterhörn av betong och XPS isolering placeras. Programvaran kan då räkna ut köldbryggor samt U-värden för dessa delar. Ett exempel visas i Figur 3.
Figur 3. Två dimensionella byggnadsdelar och hur de är uppbyggda.
Ytterväggarna består av 180 mm betong och 150 mm isolering. Dessa och övriga
uppgifter om klimatskal och installationstekniska system lades in i programmet. I Figur 3 visas uppbyggnaden av ett vägghörn. Hur de olika byggnadsdelarna och materialen ansluter till varandra är viktigt för att utföra beräkningar av köldbryggor och U-värdet i vägghörn och andra anslutningar.
Övriga indata för beräkningarna av värme- och kylbehovet var klimat, drifttidsschema, kylförsörjning, värmeförsörjning, ventilation inomhustemperatur och solavskärmning.
Som inomhustemperatur valdes 21 °C.
Skillnaden vid beräkningen av hus över mark är själva orienteringen av byggnadens fasader. Istället för att ange att några av väggar är placerade under mark måste deras orientering anges såsom söder (vilket också gällde för orienteringen av den enda väggen i byggnaden under mark som inte låg inne i själva klippan), norr, öster och väster. I övrigt användes samma data för de två husen. För mer detaljerade indata till beräkningarna se Bilaga 1.
I Figur 4 visas indata för ventilationssystemet. Samma luftflöde valdes för både tilluft och frånluft. Ventilationen är dygnet runt, året runt 0,35 l/s och m2 golvarea. I Figur 5 visas indata för styrningen av ventilationssystemet. Lägsta tillförda lufttemperatur via FTX system har valts till 18 ºC och den högsta 20 ºC med en temperaturverkningsgrad på 60 procent om ingen avfrostning behövs.
Efter att alla dessa data lagts in i programmet beräknades byggnadernas värme- och kylbehov. Vid problem med användningen av VIP-Energy kontaktades Strusoft support via mejl (Kristin Davidsson) och Ambrose Dodoo4.
Figur 4. Tidsstyrd ventilation för FTX-systemet.
I Figur 5. visas data angående utomhustemperatur, inomhustemperatur, luftomsättning samt temperaturverkningsgrad för värmeåtervinning hos FTX-systemet. Lägsta och högsta utomhustemperatur (-8 och +27) för Malmö lästes från programmets egna klimatdatafil för ett normalt år baserat på perioden 1981-2010.
Figur 5. Kontroll för FTX system tidsstyrd ventilation
4.2 Revit och Lumion
Utformning av modeller har utförts i Revit 2020 som har importerats i Lumion för att få fram renderingar av byggnadens exteriöra och interiöra delar. Figur 6 visar två perspektiv av villan i berget. För tillgängligheten finns en hiss och en trappa. Hissen går från
markplanet ned till våningsplan 2 under mark och trappan går från markplanet till plan 1 under marken. Fasaden mot söder är inglasat för att maximera ljusinsläpp. På marken utanför hissingången ligger glasyta för att släppa in dagsljus till korridoren under. Husets planlösning och areor finns i Bilaga 3.
Villan på mark har inte ritats upp utan endast modellerats i energiberäkningsprogrammet VIP-Energy.
Figur 6. Två perspektiv som visar villan i berget.
I Figur 7 visas några bilder på villans interiör och utblick från villan i berget. Hela fasaden som vetter mot luft består av glas för att få in så mycket sol- och dagsljus som möjligt.
Figur 7. Några bilder som visar villans interiör och utblick från villan.
5 Resultat
Beräkningen av värme- och kylbehov för det konventionella huset och huset som ligger i berget visar olika resultat. I följande figurer och tabeller redovisas värme- och kylbehovet för de två husen som beräknades med hjälp av VIP-Energy.
5.1 Värme- och kylbehov för hus
I tabell 3 redovisas det totala energibehovet under ett år för hus under mark med bergets värmekonduktivitet 1,4 W/mºC respektive för samma hus placerat på mark.
Tabell 3. Värme- och kylbehov jämförelse för båda hus
Typ av hus Värmebehov Kylbehov Totalt behov av
värme och kyla
Hus under mark 12551 kWh/år
49,1 kWh/m² och år
5722 kWh/år 22,39 kWh/m² och år
18273 kWh/år 71,49 kWh/m2 och år
Hus på mark 15258kWh/år
59,7 kWh/m² och år
7466 kWh/år 29,21 kWh/m² och år
22724 kWh/år 88,89 kWh/m2 och år
I Bilaga 1 redovisas detaljerade resultatet av beräkningarna av tillförd kyla och värme samt värmeförluster och elbehov i olika delar av byggnaden och dess installationstekniska system. I bilagan finns även värmebehovet för tappvarmvatten. Denna del av
värmeförlusterna har inte beaktats i de resultat som redovisas i huvuddelen av rapporten.
Det beror på att dessa förluster inte har med byggnadens utformning och placering att göra, utan är densamma för båda byggnaderna.
5.2 Värme- och kylbehov för hus i två marktyper
Simuleringar gjordes för hus under mark med två olika värmekonduktiviteter hos berget för att se skillnaden och påverkan av markens värmekonduktivitet på energianvändning.
Tabell 4 visar resultat för värme och kylbehovet för värmekonduktivitet 1,4 W/mºC och λ= 3,0 W/mºC.
Tabell 4. Värme- och kylbehov för huset under mark för två typer av mark.
Markens
värmekonduktivitet
Värmebehov Kylbehov Totalt behov av
värme och kyla
λ = 1,4 W/mºC 12551 kWh/
49,1 kWh/m² och år
5722 kWh/
22,39 kWh/m² och år
18273 kWh/år 71,49 kWh/m2 och år
λ = 3,0 W/mºC 14773 kWh/
57,8 kWh/m² och år
4251 kWh/
16,63 kWh/m² och år
19024 kWh/år 74,43 kWh/m2 och år
5.3 Energiprestanda
Tabell 5 visar den totala beräknade energiprestandan som inkluderar värme, kylning, el och ventilation. Resultaten visas mer detaljerat i Bilaga 1.
Tabell 5. Energiprestanda för huset under mark för två typer av mark.
Markens värmeledningstal Energiprestanda λ= 1,4 W/mºC 77,01 kWh/m² och år λ= 3,0 W/mºC 79,95 kWh/m² och år Hus på mark 94,43 kWh/m² och år
5.4 Transmissionsförluster
Ovanför nollan på skalstrecket på y-axeln visar diagrammet Figur 8 värmeförluster och energi för att kyla byggnaden placerad under mark. Förlusterna består av
transmissionsförluster genom klimatskalet, infiltration, det vill säga luftläckage genom klimatskalet, ventilationsförluster, avloppsförluster, det vill säga tappvarmvatten, samt energi för kyla. Under nollan på skalstrecket visas tillförd värme i form av solvärme, värmeåtervinning av ventilationsluft, värme från elektriska apparater och belysning, värme från personer, värme från fastighetsel och tillförd värme från
uppvärmningssystemet.
I figur 8 visas motsvarande värmeförluster och tillförd värme för byggnaden placerad på mark.
Figur 8. Transmissionsförluster för hus under mark i Malmö
Figur 9. Transmissionsförluster för hus på mark i Malmö
I stapeldiagrammet i Figur 8 och Figur 9 visas transmissionsförluster per vecka med svart linje för att accentuera de mer konstanta transmissionsförlusterna för byggnad under mark samt för att visa hur de fluktuerar mera för hus på mark.
5.5 Procentuell användning av värme och kyla
I Figur 10 a) visas tillförd energi i form av ett cirkeldiagram för att det tydligare ska gå att utläsa hur stor andel olika källor bidrar med. Av diagrammet framgår att en mycket stor del av värmen, vilket är 42 procent kommer från solinstrålning för huset som är förlagt i klippan. Lite mindre, 31 procent av värmetillförseln är värme från värmesystemet.
Motsvarande uppgifter för huset placerat på mark, se Figur 10 b), är 40 procent från solinstrålning och 34 procent från värmesystemet.
a) b)
c) d)
Figur 10. Värmebehov i a) och b) samt kylbehov i c) och d)
Värmeförluster visas i Figur 10 c) för hus under mark där största andelen av avgiven värme sker via transmission 48 procent samt 25 procent för ventilation och 10 procent genom kyla för huset förlagt i klippan. Transmissionsförluster för huset på mark, se Figur 10 d) är mindre med 46 procent fast ventilation och kylförluster är större med 24 och 13 procent.
5.6 Nyckeltal
I Bilaga 1 visas den interna och externa värmekapacitet, lägsta rumstemperatur, ventilation omsättning, klimatskal, U-värde och U-värde gånger klimatskal som bör beaktas.
5.7 Tidsindelad energibalans
Tidsindelad energibalans för hus under mark. I Bilaga 2 visas energibalans för avgiven energi samt tillförd energi per månad där M1 är januari till M12 som är december.
Energiförlusterna visas för transmission, infiltration, ventilation och kylning. Tillförd energi visas för solenergi, värmeåtervinning via ventilation, människor, intern aktivitetsenergi, fjärrvärme och strömförsörjning.
6 Analys
6.1 Specifikation av tillförd energi
Total mängd tillförd energi för värme och kyla för huset under mark och för huset på mark redovisa i Tabell 6. Resultaten är för mark med värmekonduktivitet 1,4 W/m och
°C. En jämförelse av behoven visar att det totala behovet för byggnaden under mark är 80 procent av behovet för byggnaden över mark. Marken har alltså relativt stor betydelse för det totala behovet av energi för värme och kyla om byggnaderna i övrigt har samma värmeisolerande förmåga hos klimatskalet.
Tabell 6. Totalt värme- och kylbehov för huset under mark och huset på mark och den relativa skillnaden i behov när markens värmekonduktivitet är 1,4 W/m och °C.
Totalt värme- och kylbehov Värme- och kylbehov för huset under mark relativt huset på mark Hus under mark Hus på mark
18273 kWh/år 22724 kWh/år 18273/22724 = 0,80
När värmebehovet i byggnaden under mark i Tabell 3 divideras med behovet för
byggnaden på marken och resultatet subtraheras med 1, fås -0,18 eller -18 procent. Detta betyder att huset under marken har 18 procent mindre värmebehov än det identiska huset på mark.
Genom att dividera kylbehovet för huset under mark med kylbehovet för huset på mark (Tabell 3) visas att huset under marken med bergets värmekonduktivitet på 1,4 W/mºC har 24 procent lägre kylbehov jämfört med huset på marken.
I artikeln av Shi, Zhang, Li, Luo & Liu (2018) där de hänvisar till flera undersökningar av Staniec & Nowak (2011); Al-Mumin (2001); Barker (1986) och Christian (1984)
uppvisas en energibesparing på 23 procent eller mer i de underjordiska byggnaderna vid jämförelse med motsvarande byggnader placerade på mark. Detta överensstämmer väl med resultatet som redovisas i Tabell 6 där energibehovet är 20 procent lägre för byggnaden under mark. En anledning till att skillnaden i energibehov ligger nära övriga undersökningars nedre gräns kan vara på grund av att utformningen av huset i klippan är väldigt öppen för att maximera ljusinsläpp. På grund av den stora fönsterarean förloras mycket värme här vilket påverkar byggnadens totala värme- och kylbehov i hög grad.
Vidare visar resultaten i Bilaga 1 där slutenergi räknas ut genom att addera värme, el och kyl försörjning i underjordiska byggnaden. Den uppfyller energiprestandakrav i BBR angående småhus med maximalt 90 kWh/m² per år när slutenergi omvandlas till primärenergi med hjälp av formeln i Bilaga 2.
Tabell 7. Totalt värme- och kylbehov för huset under mark och huset på mark och den relativa skillnaden i behov när markens värmekonduktivitet är 3,0 W/m och °C.
Totalt värme- och kylbehov Värme- och kylbehov för huset under mark relativt huset på mark Hus under mark Hus på mark
19024 kWh/år 22724 kWh/år 19024/22724 = 0,83
Vid jämförelse av huset under marken där marken har värmekonduktiviteten 3,0 W/m och ºC med huset på mark visar resultatet att huset under marken har ett 17 procent lägre värme- och kylbehov. Det innebär att skillnaden är 3 procent mindre än i det fall då marken har en värmekonduktivitet på 1,4 W/m och ºC, se Tabell 7.
Tabell 8. Totalt värme- och kylbehov för huset under mark och den relativa skillnaden i behov när markens värmekonduktivitet är 1,4 och 3,0 W/m°C.
Totalt värme- och kylbehov Värme- och kylbehov för huset under mark relativt huset på mark 1,4 W/m och °C 3,0 W/m och °C
18273 kWh/år 19024 kWh/år 18273/19024 = 0,96
Vid en jämförelse av huset under mark, där marken har olika värmekonduktivitet, är skillnaden i värme- och kylbehov 4 procent högre för marken med ett berg med en värmekonduktivitet på 3,0 W/m och ºC.
Beräknad total energiprestanda, här beräknas som det totala värme- och kylbehovet dividerat med byggnadens uppvärmda golvarea (Atemp), är 77,0 kWh/m² för huset under mark med en värmekonduktivitet på 1,4 W/mºC. När samma beräkning utförs för ett hus på markytan och ett hus under mark med värmekonduktivitet 3,0 W/mºC blir resultatet annorlunda.
Genom att dividera resultat från Tabell 9 för hus på mark och hus under mark, visar det ett resultat på 0,18 eller 18 procent förbättrad energiprestanda i huset under mark.
Tabell 9. Totalt energiprestanda för huset under mark och huset på mark och den relativa skillnaden i behov när markens värmekonduktivitet är 1,4 W/m och °C.
Totalt energiprestanda Energiprestanda för huset under mark relativt huset på mark Hus under mark Hus på mark
77,01 kWh/m² och år
94,43 kWh/m² och år
77,01/94,43 = 0,82
När samma beräkning görs med λ= 3,0 W/mºC hos berget visar resultaten 15 procent lägre värme- och kylbehov för huset under marken. Huset under marken med lägre värmekonduktivitet har en förbättrad energiprestanda med 3 procent jämfört med huset i mark med högre värmekonduktivitet.
Tabell 10. Totalt energiprestanda för huset under mark och huset på mark och den relativa skillnaden i behov när markens värmekonduktivitet är 3,0 W/m och °C.
Totalt energiprestanda Energiprestanda för huset under mark relativt huset på mark Hus under mark Hus på mark
79,95 kWh/m² och år
94,43 kWh/m² och år
79,95/94,43 = 0,85
Bilaga 1 visar resultat för specifik energianvändning i hus under mark i två olika jordarter med värmekonduktivitet på 1,4 W/mºC och 3,0 W/mºC. Procentuella skillnaden i
energiprestanda visas i Tabell 11.
Tabell 11. Totalt energiprestanda för hus under mark och den relativa skillnaden i behov när markens värmekonduktivitet är 1,4 respektive 3,0 W/m och °C.
Totalt energiprestanda Energiprestanda för huset under mark 1,4 och 3,0 W/m och °C 1,4 W/m och °C 3,0 W/m och °C
77,01 kWh/m² och år
79,95 kWh/m² och år
77,01/79,95 = 0,96
Resultaten i Tabell 11 visar att mark med högre värmekonduktivitet ökar
energianvändning i underjordiska byggnader i detta fall med 4 procent, Alkaff, Sim &
Efzans (2016) artikel stöder resultatet då de nämner undersökningar från Staniec &
Nowak (2010) som har kommit fram till att ju lägre värmekonduktivitet i marken desto bättre energiprestanda har byggnaden. Ovanstående information från Tabell 4 visar att högre värmekonduktivitet i marken har ökat värmebehovet med 15 procent fast minskat kylbehovet med 26 procent.
6.2 Värme- och kylbehov
En jämförelse av tillförd värme och värmeförluster, se figur 8 och figur 9, visar en skillnad i transmissionsförluster över året. Huset under mark visar mindre variationer eller mer konstanta transmissionsförluster över året. Det beror på värmetrögheten i marken, dess dämpning och tidsförsenade effekt, vilket stämmer väl med uppgifter enligt Sandin (2019) och Hagentoft (1988). Eftersom marken håller en högre temperatur än luften under vintern på grund av energilagring och en lägre temperatur än luften under sommaren, förlorar huset under mark mer värme under sommaren jämfört med huset på mark. På vintern är det tvärt om. Då har huset under mark mindre transmissions förluster jämfört med byggnaden som är placerad på mark.
Figur 9 visar att transmissionsförluster i huset på mark är betydligt större från vecka 25 till 7 och från vecka 49 till 52 än i figur 8, som visar huset under mark, på grund av större skillnad i temperaturen mellan luften och marken. Under sommaren, mer specifikt vecka 29 till 32 visar stapeldiagram mindre transmissionsförluster i huset på mark, se figur 9, jämfört med huset i mark eftersom utomhusluften och husets inomhustemperatur har liknande temperatur. Stapeldiagrammen i figurerna visar också när det gäller avgiven och tillförd värme att de högsta värdena i huset under marken är mindre än i huset på mark.
Det visar att markens tröghet har betydelse för att minska behovet av maximalt avgiven effekt för både kyla och värme.
5 Även vecka 1 skulle ha haft större transmissionsförluster i huset på mark och ”korrekta”
starttemperaturer för marken hade använts. Problemet hade kunnat undvikas genom att göra beräkningarna för två år så att stationära förhållanden hade uppnåtts.
7 Diskussion
7.1 Teori och metod
Värme- och kylbehov i byggnader påverkas av byggnadens utformning och valet av byggmaterial. De vanliga lösningarna är att förbättra värmeisolering i väggar, tak, fönster och dörrar, men studien visar att utnyttjandet av berg och dess förmåga att lagra värme kan minska byggnadens energianvändning ännu mer genom att bygga under mark.
Beräkningarna av värme- och kylbehov som har utförts i VIP-Energy visar rimliga skillnader på slutlig energiprestanda för det konventionella huset och huset som ligger i berget jämfört med resultat från exempelvis Shi, Zhang, Li & Liu (2018).
Beräkningarna kan förbättras genom att göra dem mer detaljerade i VIP- Energy, till exempel genom att dela upp vägg under marken i flera delar beroende på hur djupt under marken den ligger. Det går också att göra fler byggnadsdelar 2-dimensionella för att bättre ta hänsyn till hur de ansluter till varandra för en noggrannare beräkning av U- värden för varje del inklusive köldbryggor.
7.2 Resultat
I Figur 8, se ovan, visas transmissionsförluster som största andel av avgiven värme och transmissionsförluster sker via väggar, fönster och otätheter i klimatskalet enligt Sandin (2010). Detta kan förbättras genom att utforma hus med mindre andel fönsterglas i fasaden utan att påverka ljusinsläppet dramatiskt. Huset är utformad med tanke på dess estetiska utseende samt att ljusinsläpp maximeras med fönsteryta på 93,3 kvadratmeter.
Vid en utformning främst med tanke på energibesparing kan fönsterarean minskas för bättre energiprestanda. Syftet med arbetet har dock varit att undersöka hur värme- och kylbehovet kan förändras om en byggnad placeras i mark i stället för på mark.
Resultaten i Tabell 4 (för mer detaljerade resultat se Bilaga 1) visar att markens
värmekonduktivitet påverkar både värme- och kylbehov på olika sätt. Även då markens värmekonduktivitet ändrades från 1,4 W/mºC till λ= 3,0 W/m och ºC ändrades inte den totala energianvändningen nämnvärt. Det beror på att kylbehovet minskades med 26 procent samtidigt som värmebehovet ökade med 15 procent. Värme- och kylbehovet kan vidare förbättras genom att undersöka ideal värmekonduktivitet i mark som tillför positivt för både värme- och kylbehov. I varmare klimat, där kylbehovet är högre än
värmebehovet, blir det förmodligen mer lönsamt att bygga i mark med högre
värmekonduktivitet för att påverka kylbehovet positivt då värmen från huset dras till det kalla berget som har lagrat kylan från den kallare säsongen. Beräkningarna gjordes för två typer av sedimentära bergarter. Värmekonduktivitet på 1,4 W/m och ºC är relativt lågt och beräkningen som gjordes med detta värde skulle även kunna användas för en byggnad som är placerad i silt eller lera.
När slutenergi omvandlas till primärenergi för huset på mark(Bilaga 2), uppfylls inte BBR krav enligt resultat från Tabell 5 (94,43 kWh/m² per år) då den går över gränsen på 90 kWh/m² per år. Dock har i beräkningarna en låg temperaturverkningsgrad för
värmeåtervinningen antagits. Genom att sätta verkningsgraden i FTX systemet till 80 procent, vilket är vad många tillverkare uppger istället för 60 procent som har använts med rumstemperatur på 21 ºC, skulle förmodligen BBR:s krav på energiprestanda uppfyllas även i huset på mark.
8 Slutsatser
En slutsats som kan dras är att även om byggtekniken har kommit en lång väg med byggnadsdelar som har bättre U-värden än förut så gäller det fortfarande det att
byggnader under marken blir ännu mer energisnåla. Detta är speciellt viktigt nu när EU vill sänka energiförbrukning i bostadssektor. Resultaten framgå att huset under marken har ett värme- och kylbehov som är 20 procent lägre jämfört med en motsvarande byggnad på mark.
Beräkningarna för huset under marken har gjorts för två typer av jordarter med olika värmekonduktivitet, ett lägre värde på 1,4 W/mºC och ett högre på 3,0 W/mºC.
Skillnaden i resultatet på dessa två undersökningar är 4 procent vilket är mindre än förväntat. Detta beror på att högre värmekonduktivitet inte är alltid negativt då
kylbehovet går ner mer än vad värmebehovet ökar, därför kan det vara lämpligt att bygga hus under mark med högre värmekonduktivitet för att använda markens kyla i varmare klimat.
Arbetet kan vidareutvecklas genom att undersöka energiprestanda för varmare klimat där kylbehovet är högre än värmebehovet, vilket kan jämföras med denna undersökning av en byggnad under mark i ett kallare klimat. Även om inga beräkningar har gjorts för ett varmare klimat är det förmodligen så att det blir mer lönsamt att förlägga byggnader under mark i varmare klimat jämfört i med kallare klimat.
Referenslista
Alkaff, S. A. Sim, S. C. & Efzan, M.N. A review of underground building towards thermal energy efficiency and sustainable development. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60, ss. 692-713.
Al-Mumin, A. (2001). Suitability of sunken courtyards in the desert climate of Kuwait.
Energy and Buildings, 33(2), ss. 103-111.
Baron, L. (2017). Awesome underground homes from across the globe.
https://mutually.com/trending/2018/08/13/25-awesome-underground-homes-from-across- the-globe/10/
Barker, M. (1986). Using the earth to save energy: Four underground buildings.
Tunnelling and Underground Space Technology, 1, ss. 59-65.
BFS 2011:6. Boverkets byggregler. Karlskrona: Boverket.
BFS 2016:12. Boverkets föreskrifter om ändring av verkets föreskrifter och allmänna råd.
Karlskrona: Boverket.
Christian, J.E. (1984). Cooling season performance of an earth-sheltered office/dormitory building in Oak Ridge, Tennessee. Klinicheskaya Meditsina, 162, ss. 7049-7057.
Cromogenics. (2020). Teknologi – Elektrokroma glas.
https://www.chromogenics.com/sv/dynamiska-glas/elektrokroma-glas [2020-01-18]
Europa. (2016). Putting energy efficiency first: consuming better, getting cleaner.
https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/MEMO_16_3986 [2016-11-30]
Folkhalsasverige, Hälsoportalen. (2020). Dålig ventilation i hem och skolor bidrar till ohälsa. https://www.folkhalsasverige.se/astma-allergi/dalig-ventilation-i-hem-och-skolor- bidrar-till-ohalsa [2020-04-18]
Hagentoft, C. (1988). Heat loss to the ground from the building: Slab on the ground and cellar. Lund: Lunds universitet: http://www.byfy.lth.se/fileadmin/byfy/files/TVBH- 1000pdf/CEH-1004PartA.pdf
Mardiana-Idayu, A. & Riffat, S.B. (2011). Review on heat recovery technologies for building applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(2), ss. 1241-1255.
Shi, L. Zhang, H. Li, Z. Luo, Z. & Liu, J. (2018). Optimizing the thermal performance of building envelopes for energy saving in underground office buildings in various climates of China. Tunnelling and Underground Space Technology, 77, ss. 26-35.
Sandin, K. (2010). Praktisk byggnadsfysik.1:4. uppl., Lund: Studentlitteratur.
Staniec, M & Nowak, H. (2011). Analysis of the earth-sheltered buildings' heating and cooling energy demand depending on type of soil. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 11(1), ss. 221-235.
Strusoft. (2020). VIP-Energy. https://strusoft.com/products/vip-energy [2020-05-10]
Sveby. (2012). Brukarindata bostäder. http://www.sveby.org/wp-
content/uploads/2012/10/Sveby_Brukarindata_bostader_version_1.0.pdf [2012-10-10]
Urge-Vorsatz, D. Cabeza, L. Serrano, S. Bareneche, C & Petrichenko, K. (2015). Heating and cooling energy trends and drivers in buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 41, ss. 85-98.
Van Dronkelar, C. Costola, D. Mangkuto, R.A. & Hensen, L.M. (2014). Heating and cooling energy demand in underground buildings: Potential for saving in various climates and functions. Energy and buildings, 71, ss. 129-136.
Warfvinge, C. & Dahlblom, M. (2010). Projektering av VVS-installationer. 1. uppl., Lund: Studentlitteratur
Bilagor
Bilaga 1: Detaljerade resultat av beräkningarna i VIP-Energy, specifikation av energitillförseln.
Bilaga 2: Tidsindelad energibalans månad för månad under året. Beräkning av primärenergital.
Bilaga 3: Planlösningar.
Bilaga 1
Specifikation av energitillförseln för huset under mark med λ= 1,4 W/mºC.
Energiprestanda beräknas genom att addera ”(42)Heating system’ som adderas med
”(1)Ventilaiton unit”, ”(47,8) Cooling supply” och ”(34)Power supply”.
Värmebehov och kylbehov indata tas från figuren under för beräkningar (2)Heating system och ”(1)Ventilation unit för värmebehovet samt” ”(47,8) Cooling supply” för kylbehovet.
Specifikation av energitillförseln för huset på marken.
Specifikation av energitillförseln för huse under mark med λ= 3,0 W/mºC
Nyckeltal för hus under mark och hus över mark.
Hus under mark Hus på mark
Bilaga 2
Tidsindelad energibalans månad för månad under året.
Hus under mark.
Hus på mark:
Primärenergital beräkning:
EPpet= ((10928/0,8)*1*1,6+1411)/ 265 = 87,8 kWh/m2 Atemp och år för huset under mark med lambda värde 1,4 W/mºC
EPpet= ((13631/0,8)*1*1,6+1411)/ 265 = 108,3 kWh/m2 Atemp och år för huset på mark.
Bilaga 3
Planlösningar:
Fakulteten för teknik
