Värmeförhållanden i närheten av glas

Transkript

1 1 Värmeförhållanden i närheten av glas I denna artikel står värmande glas för eluppvärmt isoleringsglas. I värmande glas produceras värmen i en beläggning och riktas sedan inåt i glaset. Artikeln behandlar kontroll av värmeförhållanden i närheten av fönster och glasfasader och ger synpunkter på detta. Här ingår också en kortfattad bedömning av energiförbrukningen med värmande glas och av glasets allmänna lämplighet för inglasningssystem. Allmänt: Yttemperaturerna i glasets inre ytor har stigit märkbart i och med att glasets U-värden har förbättrats. Detta har gjort det aktuellt att utifrån undersökningar bedöma värmeförhållandena inomhus i närheten av fönsterytor och glasfasader. Ifall glasytornas yttemperatur är lägre än rumstemperaturen uppstår asymmetrisk strålning i närheten av glaset. Om temperaturskillnaden är tillräckligt stor kan den åstadkomma en effekt som kallas för kallras. Samma temperaturskillnad leder också till att kallare luft sjunker nedåt och detta kan ge en känsla av drag hos personer i närheten av glaset, även om inget egentligt luftläckage förekommer. Artikeln undersöker dessa två frågor på basis av undersökningar och gör en bedömning huruvida värmande glas medför fördelar. Yttemperaturerna i glas beräknades med olika utomhustemperaturer och U-värden för denna artikel. Hastighetskurvorna för den konvektiva luftströmmen beräknades utifrån glasets yttemperaturer och skillnaderna mellan rumstemperaturerna. Dessa resultat jämfördes med tidigare forskningsresultat och rekommendationer. Effekten av resultaten jämfördes också med andra undersökningar både ur ekonomiskt perspektiv och med avseende på människors förnimmelser. Yttemperaturer Man lät göra beräkningar av yttemperaturerna enligt standarden EN673 /1/. Vidare gjordes en jämförelse av yttemperaturerna genom att använda ett annat program, vars resultat jämförts med mätresultaten /2/. Resultaten av detta kalkyleringsverktyg jämfördes också med de mätningar som VTT utfört /3/. Resultaten var kongruenta och kan sålunda anses vara tillförlitliga. I tabell 1 har glasens yttemperaturer beräknats med olika U-värden och utomhustemperaturer för glasen. Inomhustemperaturen var 20 C. Beräkningen utfördes på glasets mittdel, så att effekten av glasets kantområde och profilerna/karmarna inte beaktades. Tabell 1. Glasens yttemperaturer då utomhustemperaturerna ändras. Utomhustemperatur o C Glasets U-värden W/m2K Glasets yttemperatur C, insidan 0,60 16,2 16,9 17,6 18,3 0,90 14,4 15,4 16,4 17,5 1,30 11,9 13,4 14,9 16,5

2 Med de nuvarande, bättre U-värdena har skillnaden mellan yttemperaturerna och rumstemperaturen minskat. Trots allt förekommer det fortfarande en temperaturskillnad. Temperaturskillnaderna och de strömmar de genererar, liksom också deras effekter, har analyserats i flera olika undersökningar /4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14/. Också i tidsskriften Lasirakentaja har frågan tagits upp /15/. I ett antal andra undersökningar har det påvisats att luftens strömningshastighet är en aning lägre /8/9/ än de värden som anges i artikeln /15/ i Lasirakentaja. Oftast har strömningshastigheten räknats ut enligt följande formel 2 V max k ( h T ) 0,5 i vilken Vmax är luftens maximala hastighet (m/s) i glasytans nedre kant k är en koefficient, vars storlek varierar i undersökningarna mellan 0,055 0,1 h är glasets (eller glasväggens) höjd (m) ΔT är temperaturskillnaden (K) mellan glaset och rumstemperaturen Det är anmärkningsvärt att litteraturen uppvisar skillnader i värdena för k. Skillnaderna torde bero på olika mätapparatur samt på att experimenten inte är enhetliga. Resultatet påverkas av glasdelens höjd, rummets dimensioner, eventuella horisontalbalkar etc. I denna artikel har vi för säkerhets skull använt de lägsta data som fåtts fram i undersökningarna, fastän strömningshastigheterna kan vara högre i verkligheten. I verkliga situationer, då glasens kantområden och profil/karmkonstruktionen tas i beaktande, så kan man utgå från att det totala U-värdet är ca 0,2 W/m2 K högre och sålunda är också de genomsnittliga yttemperaturerna analogt lägre och strömningshastigheterna högre enligt diagrammet. U-värdet för hela fasaden beror på glasstorleken och det system som använts. Diagrammet nedan visar förändringen i luftströmmens hastighet med olika temperaturskillnader som en funktion av glasets (glasväggens) höjd. Värdena har beräknats med värdet 0,055 för koefficienten k. 0,5 Luftens strömningshastighet (m/s) 0,4 0,3 0,2 DT 2 K DT 4 K DT 6 K DT 8 K 0, Glasområdets höjd (m)

3 3 Figur 1. Förändringen i luftströmmens hastighet med olika temperaturskillnader ( T) som en funktion av glasets (glasväggens) höjd. DT-värdet erhålls från yttemperaturerna i tabell 1, då värdet för yttemperaturen subtraheras från rumstemperaturen. Hastigheten för den konvektiva luftströmmen kan härledas ur figur 1 då glasets (eller glasväggens) höjd och DT-värdet är känt. I figuren kan observeras att strömningshastigheterna tenderar att vara 0,2 0,25 m/s under en normal vinterdag beroende på U- värdet. Genom att använda ett högre k-värde, såsom gjorts i flera undersökningar, får man analogt högre strömningshastigheter. Enligt ISO 7730-standarden borde luftens genomsnittliga strömningshastighet inte på vintern överskrida värdet 0,15m/s /16/, samma värde /15/ används också i tidsskriften Lasirakentaja. Klassificeringen av inneluft 2008 S1 ger ett maximalt värde på 0,14 m/s för lufthastigheten vid en temperatur på 21 C, men då har inte temperaturskillnaden för strömmande luft beaktats. Ifall den strömmande luftens temperatur är lägre än rumstemperaturen, så är den tillåtna maximala strömningshastigheten lägre än så. Verkningsområdet för luftströmmen har konstaterats vara 0 2 m /9/ från glasytan. Också Fangers PPD index har ofta används vid uppskattningen av förhållandena. I Kähkönens undersökning /16/ konstaterades att även om endast 13 % av de tillfrågade led av drag, så klagade så gott som alla på drag i verkligheten. I Kähkönens undersökning var luftens strömningshastigheter 0,04 0,16 m/s. I experiment med testpersoner /17/ observerades att förhållanden, där lufttemperaturen var 1,5 2,0 C lägre än rumstemperaturen och luftens strömningshastighet var 0,1 m/s, upplevdes som obehagliga. Man kan tydligen anse värdet 0,1 m/s som övre gräns i praktiken, även om det också är anmärkningsvärt högt i jämförelse med Kähkönens undersökning. Den konvektiva luftströmmen vid fönster och glasväggar och dess effekt på värmetrivseln bör inte förväxlas med luftfördelningen via ventilationsventiler, där luft blandas med inneluft /17/. Det har hävdats att 90 % av klagomålen i anknytning till arbetsmiljön på kontor gäller värmeförhållanden /18/. Också omfattande enkäter i USA, Kanada och Finland visar att det återstår mycket att göra i fråga om värmetrivsel /19/. I en undersökning har det påvisats att personalens produktivitet kan ökas med 5 % med en två graders temperaturförändring från ett obekvämt område till trivselområdet för termisk komfort /20/. I den brittiska undersökningen Clements-Croomen har man observerat att det är mycket kostsammare att anställa personal än att äga och underhålla fastigheter /21/. Den största kostnadseffektiviteten får man alltså genom att fästa uppmärksamhet vid förbättring av arbetsmiljön /21/, och i synnerhet vid förbättring av värmeförhållandena, eftersom merparten av klagomålen gäller dessa. Redan med en mycket liten förbättring av produktiviteten på 0,1 2 % kan man dramatiskt påverka företagets produktivitet /21/. Samma undersökning visar att det är möjligt att öka produktiviteten med 4 10 % genom att förbättra förhållandena i arbetsmiljön. Enligt en forskares seminarieföredrag kan man med en 3,8 % ökning av produktiviteten täcka en byggnads planeringskostnader, byggnadskostnader och driftkostnader /18/. Relationstalet 1:5:200, som ofta citeras i Europa, är lika stort /22/. Här avser 1 byggnadens kostnader, 5 byggnadens driftkostnader (vatten, värme, underhåll) och 200 kostnader för löner och affärsverksamhet. I Finland har man funnit att storleksordningen är korrekt åtminstone med avseende på byggnation av affärslokaler /Virhe. Kirjanmerkkiä ei ole määritetty./. Relationstalet 1:5:200 har konstaterats vara riktigt i ett tiotal olika undersökningar och seminarier /18/. Enligt dessa /18, 22/ undersökningar får man en

4 byggnads lokaliteter gratis då värmeförhållandena fåtts under kontroll. Byggnaden finansieras alltså med en högre arbetsproduktivitet. Det är inte konstigt att frågan väckt stort intresse i USA och i Europa, då man strävar efter en ökning i produktiviteten. Frågan har följaktligen också betydande nationalekonomisk bäring på byggnationen av affärslokaler. 4 Viktigast i fråga om konvektiva luftströmmar är att både standardrekommendationen och de övre gränserna som rekommenderas enligt forskningsresultaten överskrids i Finlands klimat med de nuvarande och kommande U-värdena. En enkel lösning vore att använda små fönster och att montera små radiatorer under fönstren. Å andra sidan skulle denna lösning ha negativa effekter på byggnadernas karaktär och utseende i estetiskt hänseende samt en psykologisk effekt till följd av minskat naturligt ljus. I undersökningar har man konstaterat att en kontakt till naturen i kontorsarbete har en gynnsam inverkan på människans psykologiska välbefinnande /23/. Radiatorerna begränsar också utnyttjandet av utrymmet till följd av det utrymme de själva kräver. I omständigheter där människor vistas i närheten av glasytor vore det motiverat att använda värmande glas för att förebygga osymmetrisk strålning och konvektiva luftströmmar. Frågan får särskild vikt då man tänker på de fördelar man får av en produktionsökning som beror på förbättrade arbetsförhållanden. I detta perspektiv är glasets högre pris försumbart i jämförelse med den nytta det ger. Yttemperaturen i det värmande glaset regleras till rumstemperatur med elektroniskt reglage. Då elimineras temperaturskillnaden mellan glasytan och rumstemperaturen och det bildas ingen konvektiv luftström. Den osymmetriska strålningen elimineras likaså. Till följd av detta kan man sänka rumstemperaturen något /2/. De främsta objekten för denna tillämpning finns i restauranger, hotell, entréhallar och vid byggnation av affärslokaler. Med värmeförhållandena under kontroll kan man utnyttja utrymmet optimalt i restauranger och lokaler. Man kan använda mera glas och samtidigt placera arbetspunkter eller restaurangplatser i närheten av glasytor, varvid antalet byggda kvadratmeter kan minskas, eller planerade kvadratmeter kan utnyttjas bättre. Tillämpning av värmande glas i inglasningssystem Värmande glas har sedan länge använts i trä-, trä-aluminium-, aluminiumfönster samt i olika fasadsystem. Värmande glas lämpar sig också för strukturinglasning, men beställaren bör försäkra sig om att det tillverkas och monteras enligt ETAG-anvisningar /24/ och CE-certifieras. Energiaspekten Att utvärdera energiförbrukningen är inte det lättaste, då byggnadernas form, isoleringsnivå och glasytornas storlek varierar. I VTT:s projekt Energieffektivitet och termisk trivsel simulerades emellertid energiförbrukningen med olika isoleringsnivåer (kraven för 1970, nuvarande krav samt passivnivå), genom att använda ett RADTEST-rum. RADTEST-testomgivningen är internationellt känd. I tabellen nedan visas resultat av simuleringen. I den jämförs golvvärme med kombinerad fönsteroch ventilationsvärme på olika värmeisoleringsnivåer.

5 5 Tabell 2. Energiförbrukningen på olika isoleringsnivåer /14/. Som alternativ olika former av uppvärmning. Nivån för 2010 kan användas som referensnivå för användningen av värmande glas med tanke på värmetrivsel. Värmeisoleringskrav Golvvärme, energibehov per år 1970 nivå 2010 nivå Passivnivå (kwh/a) Golvvärme maximalt behov av värmeeffekt (kw) 8,64 1,82 1,44 Ventilation + glasvärme, energibehov per år (kwh/a) Andelen glasvärme (kwh/a) Andelen ventilationsvärme (kwh/a) Ventilations- och glasvärme, maximalt behov av värmeeffekt (kw) 4,88 1,77 1,34 Tabell 2 visar att värmande glas också medför energiekonomiska aspekter och potentiella besparingar. Enligt undersökningar kan rumstemperaturen sänkas en aning utan att ge avkall på trivseln /2/. Det finns ändå skäl att vara försiktig vid en utvärdering av energibesparingen, då byggnadernas form och glasytornas storlek varierar. Det är svårt att göra en allmängiltig utvärdering av de potentiella besparingarna utgående från dessa data. I varje fall gav undersökningen uppmuntrande resultat. Sammandrag Värmeförhållandena i närheten av glas, glasfasader och fönster har förbättras i och med utvecklingen av U-värdena. Ändå förekommer det fortfarande temperaturskillnader mellan glasytorna och rumstemperaturen. Denna temperaturskillnad gör att kyld luft sjunker nedåt i närheten av en fönsteryta. Fenomenet är känt under namnet konvektiv luftström och i vardagligt tal kallas det drag. Också med nuvarande och kommande U-värden är en dylik temperaturskillnad tillräcklig för att skapa luftströmshastigheter som överskrider de tillåtna värdena (0,1 m/s). Temperaturförhållandena har konstaterats ha en märkbar inverkan på arbetsproduktiviteten. Vid byggnation av affärslokaler kan man rekommendera användning av värmande glas för att uppnå goda arbetsförhållanden såväl i nybyggen som i saneringsobjekt. I hotell- och restaurangbranschen är det väsentligt att kunderna trivs, endast kunder som kommer till restaurangen tillför kassaflöde. För restaurangens image är det särskilt viktigt att ordna med goda värmeförhållanden. Forskningsresultaten ger argument för att använda värmande glas i restauranger, om man placerar bord eller vistelserum i närheten av glas, då dessa glas garanterar behaglig värme. På basis av resultatet av VTT:s undersökning är det möjligt att under vissa förhållanden minska på behovet av värmeenergi per månad med hjälp av värmande glas. Värmeförhållandena och deras

6 6 inverkan måste ändå anses vara den centrala frågan, eftersom värmeförhållandenas inverkan på produktiviteten är obestridlig på basis av undersökningarna. Timo Saukko Glassolutions / Finnglass, Saint-Gobain Glass Finland Ab 1 Uoti, J. Feroxglas Oy. Pintalämpötila laskelmat EN673 standardin mukaisesti Ihalainen, P. Diplomityö. Sähkölasielementin Lämmönsiirtymismalli ja Ominaisuudet 3 Ruuskanen, A. & Kalema, T. Sähkölämmitteinen Ikkuna Vaikutukset energiankulutukseen ja asumisviihtyvyyteen. Imatran Voima Fanger, P.O., Ipsen, B. M., Langkilde, G., Olesen, B. K. Christensen, N. K., Tanabe, S. Comfort Limits for Asymmetric Thermal Radiation, Energy and Buildings, 8 (1985) Shillinghaw, J. A., Cold Window Surfaces and Discomfort. Building Services Engineering; 45(1977), July, Fanger, P. O., Melikov, A. K., Ring, J., Air turbulence and sensation of draught. Energy and Buildings, 12 (1988), Christensen, K. E., Jeppesen, J., Overby, H., Reduktion af traekgener i opholdszonen ved motering af sprosser i vindueskonstruktioner., Dansk VVS, June 1994, Vol 30, s Topp, C., Heiselberg, P. Reduktion af kuldenedfald ved hoje glasflader, Dansk VVS, 2/1996, Vol 32, s Heiselberg, P., Stratified flow in rooms with a cold vertical wall. ASHRAE Transaction 100 (1994):2, Heiselberg, P., Draught risk from cold vertical surface. Building and Environment 29 (1994):3, Heiselberg, P., Overby, H., Bjorn, E., Energy-efficient measures to avoid downdraft from large glazed facades. ASHRAE Transaction 101 (1995):2, Berglund, L. G., Fobeletts, A. P. R., Subjective human response to low-level air current and asymmetric radiation. ASHRAE Transaction 93 (1987):1, Tuomaala, P., Piira, K., Piippo, J., Holopainen, R., Airaksinen, M. New Energy Efficient building concepts affecting human thermal comfort and sensation. Building Simulation Conference University of Strathclyde, UK, Glasgow 27 th -30 th July 14 Tuomaala, P., Holopainen, R., Hattivatti project (Energiatehokkuus ja terminen viihtyvyys) final report Bertin, A. U-arvojen vaikutukset sisälasien pintalämpötiloihin ja pintalämpötilojen vaikutukset viihtyvyyteen. Lasirakentaja 3/95, s Kähkönen, E., Draught, Radiant Temperature Asymetry and Air Temperature a Comparison between Measured and Estimated Thermal Parameters. Indoor Air, (1991) Vol 1, No. 4, Wyon, D. P., Sandberg, M. Thermal manikin prediction of discomfort due to displacement ventilation, ASHRAE Transaction Vol 96, Part 1, (1990), Tuomaala, P. VTT. Suullinen tiedonanto Huizenga, C., Abbaszadeh, S., Zagreus, L., Arens, E., Air quality and Thermal Comfort in Office Buildings: Result of a Large Indoor Environmental Quality Survey. Proceedings of Healthy Buildings 2006, Lisbon, Vol III, Olesen, B., J., D1.4 Report on the effect of thermal comfort on productivity. Professor. Technical University of Denmark Clements-Croome, D., J., Environmental Quality and the Productive workplace. Professor. Edinburgh Evans, R., Harryot Feng, R., Haste OBE Feng, N., Jones Feng, A. The Long Term Costs of Owing and Using Buildings. The Royal Academy of Engineering. London, UK Taib, N., Abdullah, A., Fairuz Syed Fadzil, S., Swee Yeok, F., An assessment of thermal comfort and users perceptions of landscape gardens in a high-rise office building. Journal of sustainable development. Vol. 3, No. 4; December ETAG. Guideline for european technical approval for structural sealant glazing systems (SSGS). Amended October Part 1. Supported and unsupported systems. EOTA (European Organization for Technical Approvals)