Löpnummer EN1526
Examensarbete för civilingenjörsexamen i energiteknik, 30 hp
Energi- och klimatsimuleringar i
Hjältarnas Hus
Energy- and climate simulations in
Hjältarnas Hus
Linda Strandberg
I
För att komma tillrätta med de miljöproblem vi har i världen idag är ett klimatsmart byggande en viktig förutsättning. Som en del i utvecklingen för att minska energi-‐ och resursanvändningen i byggnader har olika certifieringssystem vuxit fram. I detta arbete har simuleringar utförts på en byggnad med namnet Hjältarnas Hus. Byggnaden kommer att fungera som ett anhörighus för familjer där någon familjemedlem drabbats av en svår sjukdom. Hjältarnas Hus kommer att uppföras på området intill Umeå universitetssjukhus i Umeå och planeras att stå klart under vintern 2016/2017.
Byggnationen har ett stort fokus på ett hållbart byggande med återvinningsbara material och har ett uppsatt mål om att kunna nå certifieringen av Miljöbyggnad nivå GULD.
Detta arbete fokuserar i huvudsak på att undersöka energitransporten genom byggnadens fönsterytor. På grund av att byggnaden kommer att ha stora glaspartier i fasaden förväntas problem med övertemperaturer att uppstå under sommarhalvåret om ingen åtgärd för solavskärmning vidtas.
Simuleringarna har utförts i simuleringsprogrammen IDA ICE och COMSOL Multiphysics och har begränsats till ett rum som kommer att brukas som ett allrum/bibliotek då detta rum anses vara byggnadens svagaste länk för att klara det termiska klimatet sommartid. Orsaken till detta är att 90 % av fasaden består av glaspartier.
De simuleringar som utförts i detta arbete har baserats på tre delmål. Ett av delmålen var att undersöka mönstret för de temperaturskiktningar som uppstår i Hjältarnas Hus allrum/bibliotek för olika ventilationsflöden med hjälp av simuleringsprogrammet COMSOL Multiphysics. Detta förutsatt att byggnaden klarar certifieringen av Miljöbyggnad nivå GULD eller SILVER med avseende på indikatorn Solvärmelast. Det andra delmålet var att undersöka med hjälp av IDA ICE om den projekterade solavskärmningen ger en tillräcklig avskärmning i rummet för att certifieringen skall kunna uppnås. Det tredje delmålet var att simulera risken för bildning av utvändig kondens på fönsterytorna som uppstår till följd av fönstrens låga U-‐värden i IDA ICE. Förutom detta har även en utredning kring lönsamheten i en investering i en solcellsanläggning på Hjältarnas Hus takyta genomförts.
Resultaten från simuleringarna av temperaturskiktningarna i rummet visade att allrummet/biblioteket aldrig kommer att kunna undvika övertemperaturer under sommarmånaderna om ingen solavskärmning vidtas. Även om ventilationsflödet går på maximal hastighet kommer övertemperaturer att uppnås om ingen solavskärmning är installerad. De alternativ av solavskärmning som studerades för byggnaden visade sig uppfylla kraven som ställs på SILVER-‐nivån i klassificeringen av Miljöbyggnad med avseende på indikatorn Solvärmelast. Resultaten från studien av bildning av utvändig kondens på årsbasis visade att risken för utvändig kondens på fönsterytorna var störst under månaderna augusti, september och oktober. Under dessa månader bildades det utvändig kondens på fönsterytorna under 7 % av tiden enligt gjorda simuleringar. En investering av solceller för placering på Hjältarnas Hus takyta är lönsamt enligt de beräkningar som erhållits från leverantör. Det bästa alternativet gav en återbetalningsperiod på 9,29 år utan stadsbidrag till en investeringskostnad på ca 950 000 kr (exklusive moms).
II
Energy-‐efficient buildings can make a major contribution to tackle the world’s climate change and energy use. A number of different environmental certification systems have been created to support energy-‐efficient and environmentally friendly buildings. In this project simulations are made on a building named Hjältarnas Hus. The building will be used as a support center for those affected by cancer or another critical illness and their families. Hjältarnas Hus will be built in the area next to the University Hospital of Umeå and is planned to be ready for use by the winter 2016/2017. The building project Hjältarnas Hus focuses on sustainability with recyclable materials and aims to achieve the Swedish Environmental Building Certification (Miljöbyggnad) grade GOLD.
The main purpose of this project is to study heat transfer through windows. Due to the fact that the facade of Hjältarnas Hus contains large exterior windows, high indoor temperatures are expected during the summer if no solar shading system is installed. The simulations were made in IDA ICE and COMSOL Multiphysics. The focus of this study is to analyze the part of the building that will be used as a library because that part has 90 % windows in the façade. This part is thereby the thermally weakest part of the building envelope since windows are a critical component.
The simulations have been based on three milestones. One of the targets was to investigate the temperature gradient that occurs in Hjältarnas Hus library for different ventilation flows, provided that the building achieves the Swedish Environmental Building Certification grade SILVER or GOLD.
The second target was to investigate whether the projected solar shading system provides sufficient shading with respect to the certification requirements for Solar heat gain. The third target was to investigate the risk for appearance of external condensation on glass. An investigation of the profitability of an investment in a solar energy generating facility has also been conducted.
The result from the simulations showed that the library will never be able to avoid overheating in the summer without any shading system. Even if the ventilation flow is at maximum speed, high temperatures will occur if no shading is installed. The simulations shows that the Swedish Environmental Building Certification grade SILVER can be achieved while the shading system is installed. Risk of external condensation on the window surfaces was greatest during the months of August, September and October. According to the simulations, condensations will appear during 7 % of these months.
A calculation from the supplier shows that solar cells are a profitable investment for Hjältarnas Hus.
The best option gave a payback period of 9.29 years without any contribution by the State where the investment cost was 950 000 (excl. VAT).
III
Detta examensarbete på 30 hp avslutar mina studier på Civilingenjörsprogrammet inom Energiteknik vid Umeå universitet. Arbetet har genomförts under perioden 2015.09.03 – 2016.01.08 i samarbete med och på uppdrag av Ramböll Sverige AB.
Inledningsvis vill jag tacka Kjell Blombäck, Ramböll som hjälpte mig i inledningsfasen med att finna ett lämpligt examensarbete. Jag vill även rikta ett stort tack till Olle Granvik, Ramböll som ställt upp och delat med sig av sina kunskaper och erfarenheter inom projektet.
Jag vill även tacka Maria Hammeryd, WSP Umeå, som delat med sig av sina kunskaper kring projektet gällande fönster och solavskärmning.
Tack även till Mats Johansson på Futura Energi som varit till stor hjälp gällande beräkningar på solceller.
Jag vill även tacka alla medarbetare på Umeåkontoret för ett fint och trevligt bemötande, och för allt ni lärt mig under denna termin.
Slutligen vill jag tacka Mark Murphy på Umeå universitet som delat med sig av sina erfarenheter och kunskaper inom simuleringsverktygen IDA ICE och COMSOL Multiphysics.
Linda Strandberg Umeå, 8 januari 2016
IV
1. Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problembeskrivning ... 2
1.3 Syfte ... 3
1.4 Målsättning ... 3
1.5 Avgränsningar ... 4
2. Metod ... 5
2.1 Litteraturstudie ... 5
2.2 Intervjuer ... 5
2.3 Datainsamling ... 6
2.4 Simuleringsverktyg ... 6
2.4.1 IDA ICE ... 6
2.4.2 COMSOL Multiphysics ... 6
2.4.3 PV-‐GIS ... 7
3. Begrepp och termer ... 7
4. Teori ... 9
4.1 Ramböll Sverige AB ... 9
4.2 Hjältarnas Hus ... 9
4.3 Miljöbyggnad ... 11
4.4 Klimatdata ... 12
4.5 Atrium ... 13
4.6 Luftflöden, temperatur och inomhusklimat ... 14
4.7 Solavskärmning ... 15
4.8 Solceller ... 16
4.9 Kiselsolceller/Tunnfilmssolceller ... 17
4.10 Statligt investeringsstöd ... 18
4.11 Solenergi som arkitektoniskt element ... 18
4.12 Utvändig kondens ... 19
4.13 IDA ICE ... 20
4.14 COMSOL Multiphysics ... 20
5. Genomförande ... 22
5.1 Simuleringar i IDA ICE ... 22
5.1.1 Uppbyggnad av modell ... 22
V
5.2 Simuleringar i COMSOL Multiphysics ... 25
5.2.1 Uppbyggnad av modell ... 25
5.2.2 Simulering av temperaturgradient ... 28
5.3 PV-‐GIS ... 28
6. Resultat och diskussion ... 28
6.1 Resultat och diskussion: Solavskärmning ... 28
6.2 Resultat och diskussion: Temperaturgradient ... 29
6.2.1 Temperaturgradient i 1D-‐vy ... 30
6.2.2 Temperaturgradient, tvärsnitt genom ventilationsdon ... 32
6.2.3 Temperaturgradient, tvärsnitt genom mitten av rummet ... 34
6.3 Resultat och diskussion: PV-‐GIS ... 36
6.4 Resultat och diskussion: Solcellspaneler ... 37
6.5 Resultat och diskussion: Utvändig kondens ... 39
7. Slutsatser ... 41
8. Litteraturförteckning ... 42
Bilaga A: Teori COMSOL Multiphysics ... i
Bilaga B: Temperaturgradient vid ventilationsflödet 300 l/s i 1D-‐vy ... iv
Bilaga C: Temperaturgradient vid ventilationsflödet 200 l/s i 1D-‐vy ... vi
Bilaga D: Temperaturgradient vid ventilationsflödet 300 l/s. Tvärsnitt genom ventilationsdon. ... viii
Bilaga E: Temperaturgradient vid ventilationsflödet 200 l/s. Tvärsnitt genom ventilationsdon. ... x
Bilaga F: Temperaturgradient vid ventilationsflödet 300 l/s. Tvärsnitt genom mitten av rummet ... xii
Bilaga G: Temperaturgradient vid ventilationsflödet 200 l/s. Tvärsnitt genom mitten av rummet ... xiv
1
1. Inledning
1.1 Bakgrund
Byggsektorn i Sverige står inför en stor utmaning då Riksdagen har satt upp ett energieffektiviseringsdirektiv som innebär att den svenska bygg-‐ och fastighetssektorn skall halvera sin energianvändning till år 2050 i jämförelse med år 1995. Även EU har satt upp ett mål som innebär att energianvändningen i byggnader ska minska med 20 % innan år 2020. Dessa direktiv har uppkommit till följd av att byggnadssektorn i Sverige expanderar vilket i sin tur med största sannolikhet även kommer att leda till ett ökat energibehov [1].
Sveriges fastigheter och byggnader svarar idag för ungefär 40 % av landets totala energianvändning till en kostnad av 150-‐200 miljoner kronor per år. Det finns således stora möjligheter till energi-‐ och kostnadsbesparingar inom byggsektorn [2]. Utmaningen med att bygga energieffektivt är att alla delsystem i byggnaden såsom fönster, ventilation, uppvärmning, och klimatskal måste samverka på ett optimalt sätt.
Eftersom fastigheter har stor påverkan på vårt klimat och våra naturresurser, både under drift och produktion, har flera olika certifieringssystem för byggnader vuxit fram. Att miljöcertifiera en byggnad syftar till att minska energi-‐ och resursanvändningen samt att uppnå ett förbättrat inomhusklimat [3]. Det är känt sedan långt tillbaka att inomhusklimatets kvalitet har en stor betydelse för vårt välmående, produktivitet och livskvalité. De faktorer som har en direkt påverkan på inomhusklimatets kvalitet är byggnadens läge, design och dess byggnadstekniska installationer. Vid en djupare analys brukar begreppet vanligtvis delas upp i fyra olika klimatfaktorer: termiskt klimat, luftkvalitet, ljus och ljud. Där fokus i regel brukar hamna på lufttemperaturer, lufthastigheter, luftföroreningar inomhus och flödesmönster [4].
En vanlig orsak till varför byggnader idag inte uppnår de uppsatta målen gällande energianvändning är att arkitekten som fastställer byggnadens design och klimatskal inte själv är involverad i några energiberäkningar. Detta arbete överlämnas i regel till en extern energiingenjör. I Tyskland har utvecklingen gällande effektiv energianvändning i byggnader kommit betydligt längre i jämförelse med i Sverige. En anledning till detta kan vara det som Dehlin et al (2011) påvisar i sin studie, där hanteringen av energifrågor från krav till färdig lösning har studerats i byggnadsprojekt i Sverige och i Tyskland. Resultatet från studien påvisar att arkitekterna i Tyskland är mer involverade under byggnadsprojektens alla delar i jämförelse med de svenska arkitekterna. De tyska arkitekterna är även mer vidareutbildade i energifrågor.
2
1.2 Problembeskrivning
Ett anhörighus med namnet Hjältarnas Hus ska uppföras intill universitetssjukhuset i Umeå och planeras att stå klart år 2016/2017. På uppdrag av beställaren Västerbottens läns landsting och föreningen Hjältarnas Hus har Ramböll fått i uppdrag att delta i projekteringen av byggnadsprojektet.
Beställaren har satt upp mål för att uppnå certifieringen av Miljöbyggnad nivå GULD vilket medför att det ställs krav på energiförbrukningen i
byggnaden samt dess inomhusklimat. Men samtidigt går det stick i stäv med den rådande arkitekturtrenden med de stora fönsterpartierna som är projekterade för byggnaden. Enligt projekteringsunderlaget kommer ca 12 % av byggnadens fasad att bestå av fönsterpartier vilket kommer att påverka byggnadens inomhusklimat.
Värmetransport genom fönster är en komplex process som sker i båda riktningar och i en varierad grad. Fönsterytor möjliggör att påtagliga värmemängder transporteras in genom glasytan via solinstrålning under vissa tidsperioder, samtidigt som värme kommer att transporteras ut genom fönsterytorna så fort det blir varmare inne än ute. En del av byggnaden som kommer att användas som ett allrum/bibliotek kommer att bestå av mycket stora glaspartier då ca 90 % av fasaden kommer att bestå av fönster. Solavskärmning och ventilation är därför grundpelarna för att minimera riskerna för övertemperaturer under soliga sommardagar.
När det är så stora fönsterytor på byggnaden är det viktigt att valet av fönster blir rätt för att energiförbrukningen inte skall skjuta i höjden. Enligt energimyndigheten går 35 % av de totala energiförlusterna i dagens byggnader ut genom fönstren [5]. Mot den bakgrunden har energieffektiva fönster blivit ett måste för att kunna uppnå de uppsatta målen gällande energiförbrukningen i nyproducerade byggnader. Definitionen av energieffektiva fönster är att fönstrets U-‐värde skall vara 1,2 W/m2K eller lägre för hela fönsterkonstruktionen. Fönstervalet för Hjältarnas Hus är projekterat för ett U-‐värde på 0,6 W/m2K med undantag för rummet som kommer att brukas som ett allrum/bibliotek där U-‐värdet är 0,74 W/m2K.
Dock kan energieffektiva fönster, på grund av dess goda isoleringsförmåga orsaka bildning av utvändig kondens på fönstrets utsida. Risk för bildning av utvändig kondens är relativt stor för Hjältarnas Hus i och med att fönstren har låga U-‐värden. Däremot finns ingen utredning gjord på i vilken omfattning detta fenomen kommer att uppträda. Utvändig kondens är inte skadligt för byggnaden men kan ändock skapa irritation hos brukarna eftersom att kondens på fönsterytan begränsar sikten.
Figur 1. Visualisering av Hjältarnas Hus.
3
När en ny byggnad etableras finns goda förutsättningar att göra byggnaden så energieffektiv som möjligt vilket ligger helt i linje med de miljö-‐ och klimatproblem vi har i världen idag. Under projektet Hjältarnas Hus har det diskuterats att eventuellt installera solceller på byggnadens tak.
Men på grund av tidsbrist lades utredningen ned. Denna frågeställning kommer att återupptas i detta examensarbete.
1.3 Syfte
Examensarbetets syfte är att analysera hur solen och dess instrålning påverkar Hjältarnas Hus allrum/bibliotek samt att ge en indikation på vilka åtgärder som måste vidtas för att uppnå kraven för certifieringen av Miljöbyggnad. Syftet med utredningen är att den skall kunna tillämpas på Hjältarnas Hus i synnerhet, men även på andra framtida byggnadsprojekt.
Examensarbetet kommer även att undersöka risken för bildning av utvändig kondens på fönsterytorna med hjälp av ett simuleringsprogram. Syftet är även att undersöka lönsamheten i en installation av solceller på taket av byggnaden.
1.4 Målsättning
Sammanfattningsvis är målet att besvara följande frågeställningar:
• Hur påverkas temperaturgradienten i byggnadens allrum/bibliotek av solinstrålning och ventilationsflöde?
• Skärmar den projekterade solavskärmningen av tillräckligt mycket av solinstrålningen för att kunna erhålla en god inomhusmiljö i Hjältarnas Hus allrum/bibliotek?
• Är det lönsamt att installera solceller på taket av byggnaden?
• Hur stor är risken för bildning av utvändig kondens på fönsterytorna i Hjältarnas Hus allrum/bibliotek?
Långsiktigt är målsättningen att öka medvetenheten och förståelsen för solens påverkan på byggnaders inomhusmiljö under olika förutsättningar. Samt att öka förståelsen kring fönster i byggnader och vikten av att ta hänsyn till solens bidrag till byggnadens energiförbrukning redan i projekteringsfasen.
Målet med projektet är att Ramböll skall få en utredning att tillgå som svarar på dessa frågeställningar. Rapporten skall även kunna användas av Ramböll som inspiration vid framtida arbete med ventilation av ett atrium (inglasat allrum), solceller och solinstrålning i byggnader.
4
1.5 Avgränsningar
Gällande studier av luftflöden, temperaturskiktningar och solavskärmning begränsar sig arbetet till att endast studera dessa fenomen i den byggnadsdel som kommer att fungera som ett allrum/bibliotek. Anledningen till detta är att allrummet/biblioteket är det mest kritiska rummet i bygganden med avseende på dess klimatskal. Luftflöden och temperaturskiktningarna kommer även att begränsas till ett slutet rum. Luftutbyte i form av dörröppningar och andra störningar som kan uppstå till följd av att människor rör sig i rummet har lämnats utanför projektet då detta skulle bli för komplext och tidskrävande för att kunna simulera.
Även utredningen av alternativ för solavskärmning kommer att begränsas till allrummet/biblioteket eftersom att det är byggnadens mest utsatta del för solinstrålning.
I projektet har ingen hänsyn tagits till eventuella hinder eller skuggor i form av exempelvis träd och buskar som skulle kunna hindra solens strålar till att nå fram till byggnaden. Anledningen till detta är att det är ovisst hur markområdet i anslutning till byggnaden kommer att påverkas av byggnadsprocessen.
Vid skapandet av byggnadsmodellen i IDA ICE har värden erhållits från energibalansberäkningar som utförts av en energiingenjör på WSP. För internlaster såsom personbelastning, belysning osv. har rekommendationer från SVEBY brukarindata bostäder använts som referens då den verksamhet som kommer att bedrivas i byggnaden liknar en bostad.
Vid uppbyggnad av modellen i COMSOL Multiphysics har en rad förenklingar gjorts för att modellen skall vara genomförbar att simulera. Stora modeller med stora volymer är tidskrävande att simulera vilket är den huvudsakliga orsaken till att förenklingar har vidtagits. Även fönster och dörröppningar tillhörande de innerväggar som angränsar till Hjältarnas Hus allrum/bibliotek har förbisetts då det blir extremt komplicerat att använda multizonmodeller i COMSOL Multiphysics för studier av luftrörelser mellan olika byggnadsdelar. Modellen har därför konstruerats så att allrummet/biblioteket är ett slutet rum bortsett från till-‐ och frånluften. Dessa förenklingar innebär att resultatet inte exakt kommer att efterlikna de verkliga förutsättningarna men modellen kommer att kunna användas som en indikation på hur temperaturen i rummet skiktar sig.
Gällande solinstrålningen i byggnaden har simuleringarna i COMSOL Multiphysics baserats på fasta värden. De värden som tillämpats motsvarar de högsta tillåtna värdet för indikator 3 Solvärmelast för att klara klassificeringen av Miljöbyggnad på GULD-‐ och SILVER-‐nivå. Detta för att kunna studera temperaturfördelningen i rummet vid olika ventilationsflöden givet att klassificeringen av Miljöbyggnad uppnås på GULD-‐ eller SILVER-‐nivå.
5
Vid analys av lönsamheten i att installera solceller på taket av Hjältarnas Hus avgränsas studien till att endast studera takytan på den nyproducerade delen av byggnaden. Orsaken till detta beror på att den redan befintliga byggnaden (gamla Portvaktarstugan) har ett högt kulturellt värde och bedömdes därför inte vara tillgänglig för installation av solceller.
2. Metod
2.1 Litteraturstudie
Under examensarbetets gång har ett antal artiklar, rapporter, avhandlingar, webbsidor och böcker använts som teoretiskt underlag. Till varje referens finns en källhänvisning. En mer detaljerad beskrivning av hänvisningarna hittas i rapportens referenslista.
2.2 Intervjuer
I projektet Hjältarnas Hus finns ett tidigare examensarbete skrivet. Detta examensarbete,
”Energiberäkningar för olika lösningar av VVS-‐system vid Hjältarnas hus i Umeå”, utfördes av Fredrik Finell under vårterminen år 2015 på uppdrag av Ramböll, Umeå. Efter avslutat examensarbete fanns ett fortsatt intresse av att undersöka vissa frågeställningar ytterligare. För att få bättre förståelse för de centrala frågeställningarna för ett fortsatt arbete fördes inledningsvis en diskussion med Fredrik Finell och handledare Kjell Blombäck, Ramböll. Därefter utformades nya frågeställningar vilka utgör grunden för detta arbete.
Under projektets gång har diskussion förts med ett antal personer som varit involverade i projektet Hjältarnas Hus samt några externa parter som är sakkunniga inom ämnet. Inledningsvis fördes en diskussion med Olle Granvik, ventilationsprojektör på Ramböll, för att få en djupare förståelse över hur ventilationen i Hjältarnas Hus skall fungera och vilka problem som kan uppkomma under extrema klimatförhållanden. Maria Hammeryd, energiingenjör på WSP, var delaktig med att bidra med kunskap om projektets energiberäkningar med fokus på solavskärmning och fönsterval.
Pär Carling på EQUA Solutions har gett vägledning gällande vilka begränsningar som energisimuleringsprogrammet IDA Indoor Climate and Energy (ICE) har, samt föreslagit alternativa lösningar för att skapa en så korrekt modell som möjligt efter rådande förutsättningar. Mikael Johansson på Futura Energi berättade om installationskostnader av tunnfilmssolceller.
6
2.3 Datainsamling
Byggnadens beräkningsförutsättningar gällande energianvändning är hämtade från projekteringsanvisningar från Västerbottens läns landsting. Byggnadsmått och övriga information om byggnadens klimatskal är hämtade från arkitekt-‐ och konstruktionsritningar. Uppgifter gällande ventilationssystemet är givna från VVS-‐konstruktör Olle Granvik. Gällande varmvattenanvändning, internlaster och övriga schablonpåslag kopplat till byggnadens energianvändning har rekommendationer från SVEBY brukarindata tillämpats, då byggnaden till största del kommer att tillämpas som en bostad. Brukarindata är svårt att generalisera eftersom att det inte finns någon tillförlitlig kunskap om hur de boende kommer att använda byggnaden.
Generellt är det bättre att underskatta tillskotten till byggnadens energibalans istället för att överskatta energitillskotten.
Beräkningar kommer att jämföras med de krav som ställs för att byggnaden skall kunna certifieras som en Miljöbyggnad på GULD-‐ eller SILVER-‐nivå. Då Hjältarnas Hus kommer att bestå av olika byggnadsdelar med olika förutsättningar, en befintlig byggnad och en nyproduktion, gäller olika krav för certifiering av Miljöbyggnad.
2.4 Simuleringsverktyg
För att besvara frågeställningarna har tre olika simuleringsverktyg använts, IDA ICE, COMSOL Multiphysics och onlineverktyget PV-‐GIS. Kapitlet beskriver respektive simuleringsverktyg och till vilka frågeställningar respektive verktyg har använts.
2.4.1 IDA ICE
IDA ICE är ett dynamiskt simuleringsverktyg som används för avancerade energiberäkningar. I detta projekt användes programmet främst för att studera inomhusklimatet i Hjältarnas Hus relaterat till solavskärmning. I IDA ICE gjordes även studier på fönsterytornas yttemperaturer på utsidan i syfte att kunna ge en indikation kring vilken omfattning det finns risk för bildning av kondens på utsidan av fönsterytorna.
2.4.2 COMSOL Multiphysics
COMSOL Multiphysics är ett program som tillhör den kategori av beräkningsprogram som hanterar numerisk strömningsmekanik, Computational fluid dynamics, eller förenklat CFD.
Programmet kan därmed hantera numeriska beräkningar av vätskors och gasers flöden samt värmeöverföringsprocesser. I COMSOL Multiphysics möjliggjordes studier på flödes-‐ och temperaturskiktningar i samverkan med deplacerande ventilation på golvnivå för Hjältarnas Hus allrum/bibliotek.
7 2.4.3 PV-‐GIS
PV-‐GIS är ett onlineverktyg som tillämpats för beräkning av solcellernas kapacitet på den exakta platsen där Hjältarnas Hus kommer att vara verksamma, dvs. Umeå sjukhusområde. Verktyget samverkar med GoogleMaps vilket möjliggör att med god precision välja det beräkningsområde som är aktuellt för solelsproduktion. Verktyget tillämpades för att undersöka hur mycket solelsproduktionen påverkas av hur solcellerna sitter monterade med avseende på lutning och väderstreck. Att detta var av intresse att undersöka berodde på att lutningen på Hjältarnas Hus tak endast är 12° vilket inte är optimalt för produktion av solel. Med hjälp av verktyget PV-‐GIS kunde produktionsförlusten orsakad av den svaga lutningen på taket fastställas [6].
3. Begrepp och termer
Begrepp och terminologier som är relevanta för projektet presenteras här nedan. Syftet är att ge läsaren en förbättrad förståelse för vilka faktorer som påverkar en byggnads termiska klimat och energiförbrukning.
Byggnaders energibalans
I en byggnad krävs normalt ett tillskott av energi för att balansera upp alla energiförluster som finns i byggnaden. Energianvändningen i en byggnad motsvarar den mängd energi som krävs för ett normalt brukande under ett normalår. Detta täcker in behoven för uppvärmning, komfortkyla, tappvarmvatten, fastighetsenergi och den värme som tillgodogörs från personer, belysning och hushållsmaskiner. Däremot medräknas inte hushållsel eller verksamhetsel eftersom den tillhör verksamheten. Byggnadens energianvändning kan beskrivas med hjälp av följande ekvation,
𝑄!"!#$% = 𝑄!+ 𝑄!+ 𝑄! + 𝑄!""+ 𝑄!",!"− 𝑄!å − 𝑄!"##$%&!! 𝑊 (1)
Transmissionsförluster
Termen 𝑄! i ekvation (1) ovan beskriver byggnadens transmissionsförluster. Majoriteten av alla värmeförluster i en byggnad består av transmissionsförluster. Det är det som ”läcker” ut via byggnadens klimatskal. En byggnads klimatskal är detsamma som byggnadens ytterhöje, det vill säga, tak, grund, väggar, ytterdörrar och fönster. En byggnads klimatskal är helt avgörande för byggnadens energiförbrukning där isolering och fönsterval är de viktigaste parametrarna.
Hur mycket värme som transporteras ut från klimatskalet beror på hur huset är konstruerat och hur välisolerat det är. Fönstrets energibalans är beroende av antalet glasskikt, konstruktion, eventuell gasfyllning mellan glasen och vilken typ av glas som fönstret är tillverkat av.
Värmetransporten går från varmt till kallt och ju större temperaturdifferensen är mellan insidan
8
och utsidan på fönstret desto mer värme transporteras. Följande ekvation beskriver summan av alla värmeförluster som uppkommer i klimatskalet.
𝑄! = 𝑈𝐴 𝑇!− 𝑇! [𝑊] (2) där
U är värmegenomgångskoefficienten [W/m2K]
A är arean [m2]
Tr är rumstemperaturen [K]
Te är temperaturen på omgivande uteluft [K]
Ventilationsförluster
Med byggnadens ventilation följer värmeförluster, som betecknas 𝑄! i ekvation (1) ovan.
Ventilationsförlusterna uppkommer när den uppvärmda uteluften som passerat ventilationssystemet vädras ut enligt,
𝑄! = 𝑉𝜌𝐶! 𝑇!"− 𝑇!"## [𝑊] (3) där
𝑉 är volymsflödet [m3/s]
𝜌 är luftens densitet [kg/m3]
𝐶! är luftens specifika värmekapacitet [J/kg∙K]
𝑇!" är temperaturen inomhus [K]
𝑇!"## är tilluftstemperaturen [K]
Luftläckageförluster
Luftläckageförluster, 𝑄! från ekvation (1) avser värmeförluster till följd av luftläckage genom klimatskalet. Luftotätheter i klimatskalet skapar ett okontrollerat luftläckage som för bort värme.
Skillnaden mellan ventilationsförlusterna och luftläckageförlusterna är att ventilationsförlusterna kan minimeras med hjälp av installation av värmeåtervinnande apparater medan luftläckageförluster inte går att rädda [7]. I Boverkets byggregler, BBR, ställs krav på minskad energianvändning i nyproducerade byggnader, vilket har bidragit till ett ökat intresse för klimatskalets lufttäthet. Ett otätt klimatskal gör att luften kan transporteras in i isoleringen vilket minskar isoleringsförmågan [8]. Hjältarnas Hus har ett krav på en lufttäthet motsvarande 0,30 l/s m2 vid +50 Pa.
Uppvärmning av tappvarmvatten
Termen 𝑄!"" svarar för den värmeenergi som krävs för uppvärmning av tappvarmvatten. Ett schablonvärde för förbrukningen av tappvarmvatten hämtat från SVEBY är 27 kWh/m2 och år [9].
Fastighetsel, drift
Fastighetsel, 𝑄!",!" avser den energi som används för att driva de centrala systemen i byggnaden,
9
såsom pumpar, fläktar, hissar och dylikt. Hur stor mängd fastighetsel som används är helt beroende av vilka typer av apparater och maskiner som används.
Värmeåtervinning
Energi genom värmeåtervinning, 𝑄!å kan tillexempel förekomma i form av solfångare, solceller, eller genom värmeåtervinning från värmeväxlare eller värmepumpar.
Värmetillskott från personer, belysning osv.
Personerna som vistas i byggnaden avger också värme, detsamma gäller för belysning och hushållsmaskiner. Dessa tillskott betecknas 𝑄!"##$%&!! i ekvation (1). Enligt SVEBY:s brukarindata är ett årsschablonvärde för hushållselen på 30 kWh/m2. Ungefär 70-‐80 % av hushållselen omvandlas till värme som gör att byggnaden får ett värmetillskott [7].
4. Teori
4.1 Ramböll Sverige AB
Ramböll grundades i Danmark år 1945 av Børge Johannes Rambøll och Johan Georg Hannemann.
På Ramböll arbetar 13 000 medarbetare på 300 kontor utspridda över hela världen.
Ramböll är Nordens ledande samhällsbyggare och levererar helhetslösningar inom byggnader, transport, miljö, vatten, energi, olja, gas och management consulting [10].
Att Ramböllkoncernen är stiftelseägt möjliggör ett långsiktigt arbete i och med att delar av vinsten återinvesteras i företaget i form av forskning och utbildning. Stiftelsens huvudsakliga mål är att främja koncernens utveckling både gällande ekonomi och en framtidsinriktad verksamhetsutveckling [11].
4.2 Hjältarnas Hus
År 2014 stod det klart att Västerbottens läns landsting kommer att bygga Hjältarnas Hus till en kostnad av ca 40 miljoner kronor. Huset kommer därefter att hyras ut till föreningen Hjältarnas Hus som kommer att ansvara för verksamheten [12]. Hjältarnas Hus är projekterat att byggas i sjukhusparken intill Norrlands universitetssjukhus i Umeå. På området finns en fastighet sedan tidigare, även kallad Portvaktarstugan.
Portvaktarstugan är en byggnad som uppfördes år 1913-‐14 och har ett högt kulturellt värde.
Denna byggnad fungerade tidigare som bostad för lasarettets portvakt [13]. Den gamla portvaktarstugan kommer att rustas upp och byggas ihop med en nyproduktion och tillsammans bilda Hjältarnas Hus. Den totala ytan för byggnationen är projekterad till 1 658 m2, där den befintliga byggnaden svarar för 390 m2 och nyproduktionen 1268 m2.
10
Att Hjältarnas Hus skall uppföras i Umeåregionen beror på att det saknas ett anhörighus i Norrlandsregionen för drabbade familjer trots sina 876 000 invånare spridda över Sveriges halva yta [14]. På grund av de långa avstånden i Norrland kan familjerna ha upp till 70 mil till sjukhuset, vilket gör det extra betydelsefullt med ett hem för de drabbade familjerna i Norrland.
Lokaliseringen av Hjältarnas Hus hittas i figuren till höger. Där den tidigare Portvaktarstugan är benämnd
”befintlig” och är byggnadskroppen längst till vänster medan nyproduktionen är byggnadskroppen till höger. Mellan dessa två byggnader är det en mindre byggnadskropp som representerar Hjältarnas Hus allrum/bibliotek som även kallas för länken eftersom att rummet länkar samman den befintliga byggnaden med den nyproducerade delen. Som tidigare nämnt består detta rum av stora glasytor i fasaden, vilket gör att rummet kan liknas med en ljusgård även kallat atrium. Taket i allrummet/bibliotek är dock täckande.
På grund av de stora glasytorna i fasaden i Hjältarnas Hus allrum/bibliotek kommer ett stort värmetillskott in i byggnadsdelen under sommarhalvåret vilket kräver ett förstärkt ventilationsflöde i rummet. I och med att rummet är öppet mellan två plan erhålls en hög takhöjd, 6 m. Ventilationen i rummet är därför projekterad på golvnivå i form av två stycken deplacerande don, med en kapacitet på 0-‐200 l/s vardera. Ovanför vistelsezonen (0,1-‐2m) får alltså temperaturen stiga obehindrat, till att den varma luften lämnar rummet genom frånluftsdonen i taknivå.
De två ventilationsdonen i allrummet/biblioteket är av typen VAV, vilket innebär att ventilationsflödet styrs av rumstemperaturen, personnärvaro och koldioxidhalt. Dessa två tilluftsdon är synkroniserade med varandra, där det ena alltid är i gång medan det andra fungerar som spets, och startar endast vid de tillfällen 200 l/s inte räcker till. De två tilluftsdonen tillsammans har en maximal kapacitet på 400 l/s.
Figur 2: Hjältarnas Hus lokalisering i sjukhusparken, Umeå.
11
4.3 Miljöbyggnad
Certifiering av Miljöbyggnad, som är den vanligaste miljöcertifieringen i Sverige finns i nivåerna BRONS, SILVER och GULD och drivs av SGBC (Sweden Green Building Council). Nivå BRONS är den lägsta nivån och motsvarar kraven från till exempel Boverket, Arbetsmiljöverket, Strålsäkerhetsmyndigheten, Folkhälsomyndigheten eller byggpraxis där myndighetskrav saknas.
Nivå SILVER motsvarar en högre ambitionsnivå och nivå GULD ger ett kvitto på att den bästa miljömässiga tekniken tillämpats. GULD-‐nivån skall vara möjlig att uppnå men inte utan ansträngning [15].
Certifiering av miljöbyggnad finns i olika kategorier, både för byggnader i nyproduktion och befintliga byggnader. För att en byggnad skall kunna klassas som en miljöbyggnad måste den uppfylla uppsatta krav gällande energi, inomhusmiljö och materialval.
En återkommande utmaning relaterad till certifiering av Miljöbyggnad är att indikator 3 (Solvärmelast) och indikator 12 (Dagsljus) säger emot varandra. En hög nivå på dagsljus och en låg nivå på solvärmelast är det som eftersträvas för att kunna erhålla en bra klassificering. Men för att kunna nå en hög nivå på indikatorn Dagsljus ökar även nivån på indikatorn Solvärmelast eftersom att ljusinsläppet i byggnaden blir stort. För att minimera riskerna för denna problematik är en noggrann projektering av byggnadens design och valet av fönster väldigt viktig. Nedan visas kraven för de olika nivåerna för miljöbyggnad gällande indikatorerna Solvärmelast och Dagsljus.
Figur 3: Krav Miljöbyggnad indikator 3 Solvärmelast och indikator 12 Dagsljusfaktor [15].
För att kunna beräkna solvärmelasten i ett vistelserum tillämpas en förenklad metod som baseras på att den maximala solinstrålningen som träffar en vertikal yta mellan vår-‐ och höstdagjämning är ca 800 W/m2. Kraven för solvärmelast behöver endast uppfyllas i vistelserum som har fönster som vetter mot öster till väster (via söder), vilket innebär att rum med fönster
12
som vetter mot norr inte behöver bedömas. För rum med endast ett fönster tillämpas följande formel för bedömningen,
𝑆𝑉𝐿 = 800 ∙ 𝑔!"! ∙!!!"#$
!"# [𝑊/𝑚!] (4)
Medan för bedömning av vistelserum med två fönster som vetter mot två väderstreck mellan öster och väster (via söder) används en annan formel. Eftersom att dessa rum blir solbelysta en längre tid påverkar det storleken på solvärmelasten. För dessa rum används den största av solvärmelasttalet beräknat av sambandet ovan och sambandet nedan,
𝑆𝑉𝐿 = 560 ∙ 𝑔!"! ∙!!"#$ ! !" Ö !" !
!!"# + 560 ∙ 𝑔!"! ∙!!"#$ ! !" Ö !" !
!!"# [𝑊/𝑚!] (5)
där
𝑔!"! är det sammanvägda g-‐värdet för fönsterglas och solskydd
𝐴!"#$ är ytan för den glasade delen av fönster, dörrar och övriga glaspartier exklusive karm, båge och profiler [m2]
𝐴!"# är den totala golvarean i rummet, inklusive yta under tillexempel köksinredning och garderober [m2]
Vid beräkning antas att 𝑔!"!-‐värdet inkluderar g-‐värdet för fönsterpartiet samt yttre, inre eller mellanliggande solskydd. Dock är det viktigt att även ta hänsyn till att balkonger, utstickande raster, takfot eller liknande kan påverka solinstrålningen i byggnaden och därmed även påverka värdet på 𝑔!"!. För beräkning av solvärmelasttalet med hjälp av simuleringsprogram skall beräkning ske vid det högsta solvärmetillskottet mellan vår-‐ och höstdagjämning och måste därav inte sammanfalla med den högsta temperaturen. Om det finns träd, byggnader eller andra föremål som hindrar solens strålar att nå fram till byggnaden kan en annan maximal strålning än 800 W/m2 respektive 560 W/m2 tillåtas, dock måste beräkningsmetod och resultat kunna redovisas [13].
4.4 Klimatdata
För att kunna göra energi-‐ och klimatsimuleringar på en byggnadsmodell är det viktigt med en klimatdatafil som överensstämmer med klimatet på den ort som byggnaden är placerad i. Vid simulering av byggnader i Sverige har en korrekt klimatdatafil en stor betydelse eftersom att Sveriges klimat varierar kraftigt mellan landets sydligaste och nordligaste punkt.
Tidigare kunde klimatfiler skilja sig mycket åt på grund av att det inte fanns någon standard för sammansättningen av dess indata. Byggnader jämfördes då mot BBR:s (Boverkets Byggregler) krav på olika förutsättningar vilket ledde till missvisande resultat. Under år 2015 startades därför ett projekt som finansierades av Lågan och SVEBY för att utveckla representativ klimatdata för
13
normalår på timbasis. SMHI utvecklade ett års väderdata för 11 svenska orter: Malmö, Göteborg, Växjö, Eskilstuna, Stockholm, Karlstad, Mora, Sundsvall, Östersund, Umeå och Jokkmokk.
Mätvärdena baseras på väderdata mellan år 1981-‐2010. Dessa värden på timbasis baseras på standarden SS-‐EN ISO 15927–4:2005, vilket innebar att de statistiskt mest representativa månaderna från mätserien valdes ut. Tillexempel kunde januarimånad vara statistiskt mest representativ år 1999 medan februarimånad istället var mest representativ år 2009 [16].
Metodiken bakom mätningen av de olika månadernas ”statistiska representativitet” i normalperioden har baserats på Hellinger-‐avstånd.
Hellinger-‐avstånd innebär att alla de faktorer som påverkar klimatet, såsom luftfuktighet, vindstyrka och medeltemperatur viktas olika beroende på hur stor påverkan de har för klimatet på orten [17]. Till exempel får temperatur och globalstrålning dubbelt så stor verkan i jämförelse med den relativa luftfuktigheten, då den anses ha liten betydelse för det svenska klimatet i jämförelse med länder på sydligare breddgrader.
4.5 Atrium
Atrium, som Hjältarnas Hus allrum/bibliotek kan klassas som, är en av de mest komplexa byggnadsdelar att göra beräkningar på i och med att det är så många faktorer som inverkar på klimatet. Under de senaste 25 åren har forskare utvecklat och föreslagit nya metoder genom experiment samt teoretisk och numerisk modellering för att kunna identifiera termiska och ventilationsrelaterade parametrar i ett atrium. Men den stora variationen av förhållanden på indata försvårar att nå korrekta slutsatser som innefattar alla parametrar som påverkar atriets termiska klimat [18].
Det är inte ovanligt att arkitekterna ritar stora fönster på byggnader för att få ett stort ljusinsläpp så att byggnaderna ska upplevas ljusa och luftiga. Det är inte heller ovanligt att energieffektiviteten hos dessa byggnader blir ifrågasatt eftersom att stora fönster många gånger leder till komfortstörningar och ett ökat behov av värme och kyla. Anledningen till detta är att byggnader med stora fönster är mer känsliga för utomhusklimatet i jämförelse med konventionella fasader. Valen av fönster och solavskärmning blir därför avgörande för energiförbrukningen i byggnader med stora fönsterytor [19].
Atrium utvecklades på 1990-‐talet och har sitt ursprung i regioner med ett tempererat klimat och har nu spridit sig till regioner med mer olämpliga klimat. Fördelarna med ett atrium är att byggnadsdelen får ett maximalt utbyte med solen som värmekälla, ljusinsläppet blir stort och personerna som vistas i byggnaden upplever att de interagerar med naturen. Nackdelen är att en god termisk komfort i ett atrium kräver stora mängder energi på grund av att de stora glasytorna möjliggör ett stort värmetillskott under sommaren samtidigt som de möjliggör stora värmeförluster under kalla årstider. Ventilationen i ett atrium har en stor påverkan på det
