Värmelagring i byggnader

Transkript

1 Fakulteten för teknik och naturvetenskap Anna Nilsson Stina Vendel Värmelagring i byggnader Kan en god värmelagringsförmåga kompensera ett högt U-värde? Heat storage in buildings Can a high ability to storage heat compensate a high U-value? Examensarbete 22, poäng Byggingenjörsprogrammet Datum/Termin: Handledare: Stefan Frodeson Examinator: Malin Olin Karlstads universitet Karlstad Tfn Fax Information@kau.se

2 Sammanfattning Idag bor ungefär en tredjedel av jordens befolkning i hus som är byggda av lera. I Sverige byggs det endast i liten skala med detta byggmaterial och då främst i egen regi. De människor som sysslar med detta tror att leran har goda egenskaper som byggnadsmaterial, bland annat en god värmelagringsförmåga. När det idag byggs hus sätts stort fokus på att husens U-värden ska vara så låga som möjligt medan man bortser ifrån konstruktionens värmelagringsförmåga. En massiv lervägg utan isolering får ett högt U-värde, vilket man idag vill undvika. I BBR ställs krav på en byggnads energiförbrukning och på ett U-medelvärde för dess klimatskal. I detta arbete undersöktes det om leran har såpass goda egenskaper vad gäller värmelagring att det kan kompensera för dess höga U-värde och se hur värmelagringsförmågan och värmeledningen samverkar. Syftet var att se om det är möjligt att bygga ett hus med lerväggar i Sverige som klarar BBR:s krav på energihushållning och målet var att redovisa en vägg av lera som klarar detta. För att värmelagringen ska fungera krävs i huvudsak två saker; bra värmelagringsförmåga i klimatskalet och att inomhustemperaturen svänger. Svängning i temperaturen inomhus uppkommer av så kallad gratisvärme från personer, hushållsapparater och solinstrålning. Under de delar av dygnet då gratisvärmen är stor kommer det att bli ett överskott av energi. Meningen är att väggarna ska ta upp den energin och lagra den till ett tillfälle då det är kallare inne och då avge den. På detta sätt görs en energibesparing samtidigt som komforten ökar i och med att temperatursvängningarna dämpas. De tillfällen då väggen är varmare än inomhustemperaturen kommer energi att avges från väggen. Mängden av denna energi kallas värmetröghet och har enheten kj/m². För att få fram denna energimängd användes en fördjupad metod inom värmelagring. Metoden går ut på att väggen delas in i flera skikt och värmetransporterna mellan varje skikt räknas ut. I och med denna förflyttning av energi så kommer temperaturen i varje skikt att ändras. Dessa beräkningar görs på 24 timmar jämnt uppdelat i tidssteg. I de fallen då det finns en värmetröghet kommer temperaturen i det innersta skiktet vid ett eller flera tidssteg att överskrida inomhustemperaturen, och därmed avge energi. Energin från de olika tidsstegen summeras för att få den totala värmetrögheten. Dessa beräkningar gjordes i Excel. Den andra delen, förutom värmelagring, som är viktig i dessa energiberäkningar är U- värdet. Även detta räknades ut i Excelprogrammet. För att se hur U-värde och värmetröghet samverkar räknades energiförbrukningen ut för ett hus där väggkonstruktionen varierades. Genom att hålla alla värden konstanta utom just värmetrögheten och U-värdet kunde skillnader observeras. Den konstanta indatan skapades genom att anta en fiktiv villa som motsvarar en svensk medelvilla. Data för denna byggnad matades sedan in i ett energiberäkningsprogram, gjort av Jens Beiron, för att få fram dess årliga energiförbrukning. Dessa resultat jämfördes sedan med det norra och södra kravet på energihushållning som ställs i BBR. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. i

3 Två fall sattes upp, i det första fallet gjordes en jämförelse mellan en massiv lervägg och en träregelvägg. Det andra fallet gick ut på att optimera lerväggen (isolera), om denna inte skulle klara BBR:s krav vad gäller energihushållning. Resultatet från fall 1 visade att en massiv lervägg inte skulle klara kravet om den inte hade en tjocklek på 18mm (norra zonens krav) och 48mm (södra zonens krav). Väggen behövde en tjocklek på minst 72mm för att överhuvudtaget ge tillbaka värme till rummet. Träregelväggen däremot klarade kravet med en isoleringstjocklek av mm (södra zonens krav) och 2mm (norra zonens krav). För att ge tillbaka värme behövde väggen ha en isoleringstjocklek på mm. I fall två testades en lervägg med 1mm cellplast och 2mm cellplast med den sammanlagda väggtjockleken på 4mm i båda fallen. Värmetrögheten var god i båda fallen så länge inte isoleringen sattes på insidan av väggen då den bidrog till att ingen värme kunde transporteras in i konstruktionen. Den varianten med 1mm isolering klarade den norra zonens krav medan den med 2mm isolering även klarade det södra kravet. Av resultaten kunde man se att en konstruktion måste ha ett någorlunda lågt U-värde för att kunna lagra värme från ett tillfälle till ett annat. Detta beroende på att värmegenomgångsmotståndet annars blir så pass litet att värmen istället transporteras rakt igenom väggen. En massiv lervägg skulle under detta arbetes förutsättningar inte klara kraven. En isolerad lervägg skulle däremot kunna göra det. Träregelväggen får ett lågt U-värde men låg värmetröghet medan den isolerade lerväggen får ett högre U-värde fast hög värmetröghet samtidigt som båda dessa klarar kraven. Detta visar att värmetrögheten faktiskt kan kompensera ett lägre U-värde. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. ii

4 Abstract About one third of the world s population lives in houses made of clay. In Sweden it s quite rare and there are only a few who builds with this material. Those who builds with clay believes that it has good qualities as a building material, for example a good ability to accumulate energy. Today it s important to build houses with thick walls with a low transmission of energy, while the wall s ability to accumulate heat often is overlooked. In BBR there are certain demands when it comes to the energy management of the building. The purpose of this project is to see if a good energy absorbing ability can compensate a high transmission of energy and see how those cooperate. The ambition of the project is to present a wall made of clay that manage to reach up to the demands. To observe how the energy absorbing ability and the transmission of energy cooperate a program was made in Excel. This program calculated the amount of energy the wall emits to the room and how high the transmission is. These two parameters play a decisive role in the energy balance in this project. To compare different wall constructions the energy consumption was calculated for each one. Two different studies was made, the first one was comparison between a solid clay wall and an insulated wall with scantlings. The second study was to improve the solid clay wall by adding a layer of insulation. The results of the first study showed that a solid wall made of clay have to be 18mm thick to reach up to the demands of the north zone and 48mm of the south zone. The insulated wall had to be 2mm (north zone) and mm (south zone). The second study showed that a clay wall with a insulation layer of 2mm manage to achieve the demands of the south zone while layer of 1mm only achieved the northern demands. The results show that it s not possible to build a house with solid walls made of clay. It s not reasonable to have walls that twice as thick as they are high. It also shows that a high energy absorbing ability can compensate a high U-value. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. iii

5 Innehållsförteckning Sammanfattning... i Abstract...iii 1.1 Bakgrund Problemformulering Syfte Mål Metod Genomförande Materialegenskaper för lera Energiberäkningar Värmelagring Beräkningsprogram i Excel Energiberäkningsprogrammet Beräkningsfall Fall Fall Resultat Fall Temperaturvariation i lerväggarna Temperaturvariation i träregelväggarna Energiförbrukning fall Fall Temperaturvariation i lervägg med 1mm cellplast Energiförbrukning fall Diskussion Slutsats Tackord Referenslista Bilaga Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. iv

6 1. Inledning Detta examensarbete har genomförts av Anna Nilsson och Stina Vendel vid fakulteten för teknik och naturvetenskap vid Karlstads universitet. Handledare för arbetet har varit Stefan Frodeson och examinator var Malin Olin. Examensarbetet utgör det avslutande momentet på byggingenjörsutbildningen och genomfördes under våren Bakgrund Människan har byggt hus av lera sedan urminnes tider världen över. I Sverige har lera varit vanligt främst i de regioner där det varit brist på timmer. Senare ville man dock försöka dölja att husen var gjorda i lera, då det var mycket modernare att bo i stenhus. Detta gör att många i Sverige bor i lerhus fast de inte vet om det[1]. En typ av lerhus är korsvirkeshusen som fram till 18-talet var den vanligaste hustypen i Skåne. Senare då tillgången på virke ökade och andra material togs i bruk började dock andra byggmetoder att användas[2]. Idag byggs i Sverige endast ett fåtal hus med lerväggskonstruktioner och de flesta i egen regi, trots att tillgången på lera som är lämpad för byggnation är stor. Leran är generellt sett av bra kvalitet och det finns stora sammanhängande lerslätter och lerfyllda dalar. Lerjord återfinns framförallt i de områden som låg under vatten vid inlandsisens smältning[3]. I andra delar av världen är användandet av detta byggmaterial betydligt vanligare. Sett ur ett globalt perspektiv bor hela en tredjedel av jordens befolkning i hus av lera[4]. En aspekt som blir allt mer viktig vid nyproduktion av bostäder är miljöpåverkan, dels i produktionsskedet och dels i användningsskedet. Vid produktionen bör man tänka på att använda material och arbetsmetoder som inte påverkar miljön negativt. Eftersom 8 % av all energiförbrukning sker under just brukandefasen är det viktigt att byggnaden är energisnål[6]. För att bygga energisnåla hus satsas det idag på att bygga tjocka och täta klimatskal. Tyngdpunkten i energiberäkningarna är att få så bra U-värden på huset som möjligt. Eftersom en massiv lerkonstruktion inte innehåller något specifikt isoleringsskikt så får den ett högt U-värde vilket man idag vill undvika. I BBR ställer man krav på att en byggnad måste ha ett visst U-medelvärde och tar då inte hänsyn till dess värmelagringsförmåga. Däremot finns ett krav på högsta tillåtna energiförbrukning per kvadratmeter och där kan värmelagringen ha en betydelse. 1.2 Problemformulering Problemet är att det idag är för stor fokus på U-värden och inte konstruktionens förmåga att lagra värme från en tidpunkt till en annan. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 1

7 1.3 Syfte Syftet med projektet är att ta reda på om det i dagsläget skulle gå att bygga ett hus i lera i Sverige och om lerans egenskaper verkligen är så bra som dess förespråkare vill tro och i så fall hur bra. De som idag bygger med lera tror på dess goda egenskaper men det saknas kunskap inom området och därför blir en annan avsikt med projektet att finna denna. 1.4 Mål Att kunna redovisa en väggkonstruktion av lera som har en såpass bra värmelagringsförmåga att det kompenserar det höga U-värdet och därmed klarar kraven för energihushållning. 1. Metod Projektet kommer att utföras som en litteraturstudie som kommer att leda till egna beräkningar. I dessa kommer en massiv lervägg att jämföras med en träregelvägg för att ta reda på hur egenskaperna värmeledning och värmelagring varierar och samverkar. Energibehov kommer att räknas ut för båda väggarna för att se om de kan uppfylla BBR:s krav på energihushållning. För att göra en fördjupning i hur materialet lera fungerar kommer även lerväggen att optimeras och energibehovet räknas ut för ett hus som använder denna typ av vägg. Det krav som ska uppfyllas vad gäller energihushållning är den maximala energiförbrukningen per kvadratmeter. Det andra kravet som ställs i BBR angående U- medelvärde kommer inte att beaktas då fokus enbart ligger på det förstnämnda kravet. För uträkningar av energiförbrukning kommer Jens Beirons energiberäkningsprogram att användas. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 2

8 2. Genomförande 2.1 Materialegenskaper för lera Lerjord består av flera olika mineraler och lerpartiklar vars sammansättning är avgörande för lerans brukbarhet. För att en jord ska räknas som lerjord krävs att % av viktinnehållet består av lerpartiklar (partiklar med en diameter på mindre än,2mm)[4]. Att leran är sammansatt på olika sätt gör att det är svårt att bestämma generella materialegenskaper som gäller för all lera. De materialegenskaper som har med energihushållning att göra är värmekonduktiviteten och värmekapaciteten. I en undersökning gjord år 2 av Eva-Rut Lindberg redovisas lerans materialegenskaper utifrån både beräkningar baserade på laboratorieförsök och fältmätningar i full skala. Fältmätningarna gjordes på väggar av lerstenar som var sammanfogade med lerbruk där avsikten var att ta reda på hur väggarna reagerar på varierande temperatur- och fuktförhållanden. På så vis kunde lerblocken utvärderas och materialegenskaper bestämmas []. Labbundersökningens beräkningar gav värmekonduktiviteten λ=, W/mK för den massiva lerstenen medan fältmätningen gav ett högre värde λ=,6 W/mK. För den specifika värmekapaciteten framgår att räkning med det värde som stenmaterial har, cp= 84 J/kgK, ger ett rättvisande resultat []. 2.2 Energiberäkningar Värmelagring Med värmelagring menas att en konstruktion magasinerar värme då det finns ett värmeöverskott för att sedan vid ett underskott avge värme till rummet. Detta leder till att temperatursvängningarna som sker under dygnets timmar jämnas ut och på så vis minskar kylbehovet dagtid och likaså uppvärmningsbehovet nattetid. Tillföljd av detta ökar komforten och energibehovet minskar. Denna förmåga hos ett material går att utnyttja under kortare perioder (dag till natt) men över längre säsongsperioder (sommar till vinter) kan den försummas [6]. För att en konstruktion ska ha en stor värmelagringsförmåga ska den ha en hög värmekapacitet och en stor massa. Temperaturen i byggnaden måste också få tillåtas att svänga för att ett överskott/underskott ska kunna bildas [7]. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 3

9 Figur 1. Skillnader i temperaturändringen i en lätt respektive tung stomme. Byggnadsdelens värmekapacitet räknas ut med följande formel: C = c m ( J o ) där c - materialets specifika värmekapacitet (en materialkonstant) C m massan ( m = δ A d ) Detta är då den värmemängd som behövs för att höja byggnadsdelens temperatur 1 o eller som avges för att sänka den med 1 C [8]. För att få en tydlig energibehovsskillnad bör byggnaden ha en hög värmetillförsel och/eller solinstrålning, liten värmetransmission och ett snävt temperaturintervall. Byggnadsdelen bör även vara utformad så att materialet med stor värmelagringsförmåga ligger innanför isoleringsskiktet, detta för att utnyttja värmelagringsförmågan så mycket som möjligt[6]. Vid beräkning av en byggnads totala energibehov är det mängden energi som kan ges tillbaka till rummet som används. Denna energimängd benämns värmetröghet och har enheten kj/m². För att kunna räkna denna mängd energi används en fördjupad metod inom värmelagring. Metoden går ut på att väggen delas in i ett antal skikt där värmetransporten mellan de olika skikten beräknas för 1m² väggyta. o C Ute A B C D E F Inne Figur 2. Värmetransport genom vägg med olika skikt. Värme kommer att transporteras från ett varmare skikt till ett kallare. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 4

10 Värmen transporteras från ett varmare skikt till ett kallare. Av den värme som går in i skikt F kommer en del gå vidare till skikt E enligt figur 2. Detta innebär att det blir en kedjereaktion där alla skikt får en energiändring, vilket leder till att temperaturerna i skikten förändras. För att se temperaturändringarna i skikten under ett dygn delas de 24 timmarna in i mindre tidssteg, i detta fall om tio minuter. I första tidssteget visas temperaturerna vid tiden noll, andra vid tiden 1 min, tredje vid 2 min och så vidare tills ett dygn har passerat. För att få översikt över alla temperaturer görs en tabell: Tabell 1. Temperaturschema som redovisar utgångsläget för beräkningarna. Tid Ute A B C D E F Inne min,9 8,6 1,22 12,38,4 16,7 18, min,9 21,17 2 min,9 21,39 24 h,9 21 För att principen med värmelagring ska fungera så krävs det att det först finns ett överskott och sedan ett underskott av värme inomhus. Det innebär att inomhustemperaturen måste ha en viss svängning. Det finns ingen generell modell över hur denna ser ut eftersom alla hus har olika energibalans. Ett antagande görs därför att inomhustemperaturen svänger som en sinuskurva till följd av att mängden gratisvärme från hushållsapparater, personer och solinstrålning varierar under dygnet. Utomhustemperaturen är konstant densamma som årsmedeltemperaturen för Karlstad. Detta för att om temperaturerna svänger på båda sidor om väggen blir det svårare att utvärdera hur väggens temperaturändring ser ut. Att räkna med årsmedeltemperaturen antas ge ett medelvärde på värmetrögheten sett under ett år. Temperaturerna vid tiden noll beräknas genom att skillnaden mellan ute- och innetemperaturen delas jämnt mellan de sex skikten. Detta endast för att ha en utgångspunkt för beräkningarna. För att räkna ut den energi som går in i skikt F, värmeeffekten, vid tiden 1 minuter används formeln: Q& Inne F = U A Δt Där Δt är temperaturskillnaden mellan inne och F vid steget innan (tiden noll). Den temperatur som går ut ur F, vidare till E räknas ut med samma formel, fast med temperaturskillnaden mellan F och E istället. För att ta reda på den energi som har stannat kvar i skikt F räknas skillnaden mellan värmeflödet in i F och ut ur F och multipliceras med längden på tidssteget. Det ger alltså den nettoenergiändring som skett i skikt F under tio minuter. Q = tidssteg Q Inne Q ) ( F F E Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28.

11 För att komma åt temperaturändringen används formeln: Q Q = m c p Δt Δt = m c p Där m = Massan för väggen, i detta fall för 1m² vägg med en tjocklek d. Med känd densitet kan massan räkas ut. cp= Specifik värmekapacitet Temperaturen i skikt F vid tiden 1 min beräknas genom att addera Δt till den temperatur som var i skikt F vid tiden noll. Värdet förs in i tabellen. Tabell 2. Temperaturschema som redovisar temperaturändringen för skikt F. Tid Ute A B C D E F Inne min,9 8,6 1,22 12,38,4 16,7 18, min,9 18,83 21,17 På samma sätt räknas de nya temperaturerna ut i alla skikten. Och med dessa nya värden upprepas alla beräkningar för nästa tidssteg, för att återigen få nya temperaturer, tills ett dygn har gått. Tabell 3. Temperaturschema som redovisar temperaturändringen för skikt F. Tid Ute A B C D E F Inne min,9 8,6 1,22 12,38,4 16,7 18, min,9 8,4 1,22 12,42,46 16,74 18,83 21,17 2 min,9 8,1 1,22 12,46,38 16,78 18,81 21,3 24 h,9 7,7 1,2 12, 14,4 16,63 17,2 21 Efter 24 timmar är inte temperaturerna i väggen de samma som de var i utgångsläget, vilket de ska vara. De temperaturer som räknades fram vid tiden noll ersätts med dem som räknats fram vid 24 timmar, och hela tabellen räknas om. Vid ett par upprepningar av detta kommer temperaturen vid noll och vid 24 timmar att ha samma värde. Anledningen till att det tas reda på vilka temperaturändringar som blir är för att se om väggen någon gång blir varmare än inomhusluften och därmed kan ge tillbaka energi. Det visar att väggen kan ta upp värme, lagra den och sedan avge den när det blir kallt inomhus. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 6

12 Temperaturvariation, mm Lera + 2mm Cellplast + mm Lera Figur 3. Exempel på temperaturvariation där väggen ger tillbaka värme under tiden mellan 11. till 21.. Den översta prickade kurvan motsvarar innetemperaturen som svänger mellan 18 och 24 Cº medan de resterande kurvorna motsvarar varsitt skikt i väggen. Så länge innetemperaturen är högre än väggens innersta skikt kommer värme att transporteras in och lagras i väggen. När temperaturen i väggens innersta skikt istället överstiger innetemperaturen, när den undre kurvan korsar den övre, betyder det att värme transporteras i andra riktningen, det vill säga att väggen avger värme till rummet Beräkningsprogram i Excel För att utföra dessa beräkningar gjordes ett program i Excel som räknar enligt ovan beskriven metod. Detta beräkningsprogram har syftet att dels visa vilka temperaturvariationer som sker och dels hur mycket energi som väggen kan ge tillbaka till rummet, värmetrögheten. Det senare behövs i ett energiberäkningsprogram som räknar ut byggnadens energibehov under ett år. För beräkningsprogrammet gäller följande: Väggen är uppdelad i sex skikt, vars tjocklek och materialegenskaper kan ändras individuellt under indata enligt tabell 4. Tabell 4. Indata i Excelprogrammet för en massiv lervägg. INDATA A B C D E F λ (W/mK) ρ (kg/m³) cp (J/kg C) Rsi (m² C/W) Rse (m² C/W) d (m) Δt (s) A (m²) Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 7

13 Inomhustemperaturen antas svänga som en sinuskurva med 21 C som utgångstemperatur där en svängning motsvarar ett dygn. Amplituden på kurvan är 3 vilket innebär att temperaturen ändras med ±3 C. Utomhustemperaturen är konstant,9 C (Årsmedeltemperatur för Karlstad) Vid de tillfällen temperaturen i väggen är högre än inomhustemperaturen kommer energi att avges från väggen. Det räknas ut i varje steg och summeras för att få den totala energimängden. Detta räknas om till enheten kj/m² och visar hur värmetrög väggen är, ju högre siffra desto bättre Energiberäkningsprogrammet Energiberäkningsprogrammet används för att ta reda på det årliga behovet av energi för en byggnad placerad i Karlstad. Det räknar på huset som helhet och tar hänsyn till förluster genom transmission, ventilation och luftläckage. Programmet är gjort i Excel av Jens Beiron. Tillskottsenergin kommer från personer, hushållsapparater och solinstrålning samt värmelagring. För att kunna jämföra väggkonstruktionens inverkan på det totala energibehovet så är all indata densamma i alla försök utom det som ställs in beroende på väggens egenskaper; värmetrögheten och U-värdet. Värmelagring i stomme Värmetröghet ( kj/m 2 ) kj/m 2 Värmelager (aktiv yta ca dubbla omsl ytan). kwh Överföringskapacitet (alfa 3, ΔT 1) 2.46 kw Utnyttjningsgrad (mht reglertolerans mm) % -1% Nettokapacitet 1.23 kw Figur 4. De gröna rutorna är indata som rör värmelagring i energiberäkningsprogrammet. Värdet på värmetrögheten är det som räknats fram som den energimängd som avges till rummet. Detta multipliceras med den omslutningsyta som antas vara värmelagrande; ytterväggar, innerväggar, tak och grund. Innerväggarnas area uppskattas till lika stor som summan av de övriga ytorna. Värmetrögheten multiplicerat med denna omslutningsyta blir då ett värde på hur stort värmelager som finns. Programmet räknar att värmelagret tar upp värme när det finns ett överskott och det samtidigt finns plats kvar i lagret. När detta lager ger tillbaka energi så blir det ett tillskott av energi vid beräkning av huset totala energibehov. Utnyttjandegrad handlar om hur de boende och husets värmesystem låter temperaturen variera. Om de boende låter det bli varmt inne och värmesystemet är reglerat till att gå igång först vid en låg temperatur så kan denna siffra sättas till 1 %. Vid beräkning av hur mycket överskottsvärme som finns att hämta utgår programmet från den gratisenergi som finns. I den ursprungliga versionen av programmet delades gratisvärmen upp jämnt på dygnets alla timmar. Detta ändrades till att energi från personer delades upp så att det bara uppkom när personer vistas i huset och på de Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 8

14 timmarna delades den så att det var mer dagtid än nattetid. Av energin från hushållsapparater finns det dels den del som förekommer jämt (från exempelvis vitvaror som alltid är igång) och dels den del som uppstår under tre timmar på morgonen och sju timmar på kvällen då övriga hushållsapparater antas användas mer. Beräkningarna utförs på ett hus som svarar mot det svenska genomsnittshuset och antas vara en enplansvilla: Boyta: 144 m² Hushållsel: 6 2 kwh Varmvatten: kwh (Baserat på SCB:s Energistatistik för småhus, flerbostadshus och lokaler ) Med en boyta på 144 m² blir klimatskalets areor: Golv, randzon 1 m från yttervägg: 46 m² Golv, inre: 98 m² Yttervägg: 12 m² Tak: 144 m² Fönsterarean antas vara 16 m² med flest antal fönster i nordlig riktning Ventilationsflöde: l/s (Frånluftssystem) Luftläckage: 7 l/s Inomhustemperatur: 21 C Antal boende: 4 personer Tid hemma:1 h/dygn Utnyttjandegraden av värmelagringen:1 % Beräkningsfall För att kunna utvärdera olika väggkonstruktioner görs jämförelser mellan två olika beräkningsfall. Värmetrögheten och U-värdet räknas ut för alla väggvarianter för att kunna sätta in de värdena i energiberäkningsprogrammet och därmed ta reda på om BBR:s krav kan uppfyllas. Det finns två olika krav beroende på var i Sverige byggnaden placeras. Värmland hör till den norra zonen men kan även ses som ett värsta fall för den södra zonen. Därför kommer energiförbrukningen att jämföras med båda dessa krav. 2.3 Fall 1 Massiv lervägg jämförs med träregelvägg. I detta fall utvärderas värmelagringen och värmeledningens samverkan genom att jämföra två väggkonstruktioner, en i massiv lera och en träregelvägg. Träregelväggen förenklas till att bestå av två gipsskivor med mineralull mellan. Detta baserat på att det är de två delarna som har mest betydelse för väggens egenskaper. Fortsättningsvis kommer denna väggtyp att benämnas träregelvägg trots att den är förenklad. I den massiva lerväggen varieras väggens totala tjocklek mellan 3 och 9mm med 6-millimetersintervaller. I träregelväggen varieras tjockleken på isoleringen mellan 2 och mm med -millimetersintervall. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 9

15 Beräkningarna i fall 1 ska visa: Hur stor tjocklek de båda väggtyperna ska ha för att kunna återge värme Hur temperaturen svänger i väggarnas skikt Om BBR:s krav på energihushållning kan uppfyllas. 2.4 Fall 2 Optimering av lervägg. I detta fall optimeras lerväggen från fall 1, genom att ett skikt cellplast läggs till i två olika försök. I det första försöket är cellplastens tjocklek 1mm och i det andra 2mm. Väggens totala tjocklek är konstant 4mm. Isoleringens placering i väggen varieras från att vara längst ut, sedan närmare och närmare insidan för att tillslut vara längst in, enligt tabell och 6: Tabell. Väggens uppbyggnad vid 1mm isolering Lera utsida Isolering Lera insida Tabell 6. Väggens uppbyggnad vid 2mm isolering Lera utsida Isolering Lera insida Beräkningarna i fall 2 ska visa: Hur mycket värme som återges till rummet beroende på väggens sammansättning Hur temperaturen svänger i väggarnas skikt Hur isoleringsskiktets tjocklek och placering i väggen påverkar värmetrögheten Om U-värdet eller värmetrögheten är det avgörande för energiförbrukningen Om BBR:s krav på energihushållning kan uppfyllas. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 1

16 3. Resultat 3.1 Fall 1 Försöken visade att lerväggen måste ha en tjocklek på 72mm för att den överhuvudtaget skall ge tillbaka värme till rummet. För träregelväggen ska isoleringstjockleken vara minst mm för att väggarna ska återföra värme till rummet. Värmetröghet kj/m² Lera 6mm Lera 66mm Lera 72mm Lera 78mm Lera 84mm Lera 9mm Gips+2mm isolering Gips+mm isolering Väggtyp Gips+3mm isolering Gips+3mm isolering Gips+4mm isolering Gips+4mm isolering Gips+mm isolering Figur. Sammanställning av värmetrögheten, det vill säga den värmemängd som väggen kan återge till rummet, för de olika väggtyperna i fall 1. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

17 3.1.1 Temperaturvariation i lerväggarna Temperaturvariation, 6mm Lera Figur 6. Temperaturvariationen för de olika skikten i en 6mm tjock lervägg. I denna konstruktion finns ingen värmetröghet Temperaturvariation, 66mm Lera Figur 7. Temperaturvariationen för de olika skikten i en 66mm tjock lervägg. I denna konstruktion finns ingen värmetröghet. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

18 Temperaturvariation, 72mm Lera Figur 8. Temperaturvariationen för de olika skikten i en 72mm tjock lervägg. I denna konstruktion är värmetrögheten 2,6 kj/m² Temperaturvariation, 78mm Lera Figur 9. Temperaturvariationen för de olika skikten i en 78mm tjock lervägg. I denna konstruktion är värmetrögheten 8,3kJ/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

19 Temperaturvariation, 84mm Lera Figur 1. Temperaturvariationen för de olika skikten i en 84mm tjock lervägg. I denna konstruktion är värmetrögheten 14,4 kj/m² Temperaturvariation, 9mm Lera Figur 11. Temperaturvariationen för de olika skikten i en 9mm tjock lervägg. I denna konstruktion är värmetrögheten 2,2 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

20 3.1.2 Temperaturvariation i träregelväggarna Temperaturvariation, Gips + 2mm Mineralull Figur 12. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 2mm mineralull. I denna konstruktion finns ingen värmetröghet Temperaturvariation, Gips + mm Mineralull Figur 13. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med mm mineralull. I denna konstruktion är värmetrögheten 4,6 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28.

21 Temperaturvariation, Gips + 3mm Mineralull Figur 14. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 3mm mineralull. I denna konstruktion är värmetrögheten 11,1 kj/m² Temperaturvariation, Gips + 3mm Mineralull Figur. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 3mm mineralull. I denna konstruktion är värmetrögheten 16,4 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

22 Temperaturvariation, Gips + 4mm Mineralull Figur 16. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 4mm mineralull. I denna konstruktion är värmetrögheten 2,7kJ/m² Temperaturvariation, Gips + 4mm Mineralull Figur 17. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 4mm mineralull. I denna konstruktion är värmetrögheten 24 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

23 Temperaturvariation, Gips + mm Mineralull Figur 18. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med mm mineralull. I denna konstruktion är värmetrögheten 26,8 kj/m² Energiförbrukning fall 1 Tabell 7. Energiförbrukning/m² för huset med väggkonstruktioner från fall 1. Väggkonstruktion Energiförbrukning (kwh/m²) Lera 6mm 187 Lera 66mm 18 Lera 72mm 174 Lera 78mm 168 Lera 84mm 162 Lera 9mm 7 Energikrav norra zonen [9] 13 Lera 18mm 1 1 Gips + 2mm isolering 122 Gips + mm isolering 12 Gips + 3mm isolering 117 Gips + 3mm isolering 114 Gips + 4mm isolering 113 Gips + 4mm isolering 111 Energikrav södra zonen [9] 11 Gips + mm isolering 11 Lera 48mm Lera 18mm ingår inte i fall 1 men räknades ut för att se vilken tjocklek väggen ska ha för att uppnå energikravet för den norra zonen. 2 Lera 48mm ingår inte i fall 1 men räknades ut för att se vilken tjocklek väggen ska ha för att uppnå energikravet för den södra zonen. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

24 3.2 Fall 2 Enligt figur 2 kommer värme att återges till rummet i alla fall utom när cellplasten är placerad innerst i väggen. Värmetröghet (1mm cellplast) Värmetröghet (kj) cellplast + 3 lera lera + 1 cellplast + lera 1 lera + 1 cellplast + 2 lera lera + 1 cellplast + lera 2 lera + 1 cellplast + 1 lera Väggtyp lera + 1 cellplast + lera 3 lera + 1 cellplast Figur 19. Värmetröghet beroende på cellplastens placering i väggen. Väggtyperna är benämnda med det yttersta skiktet först. Värmetröghet (2mm cellplast) Värmetröghet (kj) cellplast + 2 lera lera + 2 cellplast + lera 1 lera + 2 cellplast + 1 lera Väggtyp lera + 2 cellplast + lera 2 lera + 2 cellplast Figur 2. Värmetröghet beroende på cellplastens placering i väggen. Väggtyperna är benämnda med det yttersta skiktet först. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

25 3.2.1 Temperaturvariation i lervägg med 1mm cellplast Temperaturvariation, 1mm Cellplast + 3mm Lera Figur 21. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med cellplasten placerad ytterst i väggen. I denna konstruktion är värmetrögheten 168 kj/m² Temperaturvariation, mm Lera + 1mm Cellplast + mm Lera Figur 22. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med mm lera på utsidan och mm lera på insidan av cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 172 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 2

26 Temperaturvariation, 1mm Lera + 1mm Cellplast + 2mm Lera Figur 23. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 1mm lera på utsidan och 2mm lera på insidan av cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 178 kj/m² Temperaturvariation, mm Lera + 1mm Cellplast + mm Lera Figur 24. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med mm lera på vardera sida om cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 193kJ/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

27 Temperaturvariation, 2mm Lera + 1mm Cellplast + 1mm Lera Figur. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 2mm lera på utsidan och 1mm lera på insidan av cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 24 kj/m² Temperaturvariation, mm Lera + 1mm Cellplast + mm Lera Figur 26. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med mm lera på utsidan och mm lera på insidan av cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 139 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

28 Temperaturvariation, 3mm Lera + 1mm Cellplast Figur 27. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med cellplasten placerad innerst i väggen. Denna konstruktion har ingen värmetröghet Temperaturvariation i lervägg med 2mm cellplast Temperaturvariation, 2mm Cellplast + 2mm Lera Figur 28. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med cellplasten placerad ytterst i väggen. I denna konstruktion är värmetrögheten 24 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

29 Temperaturvariation, mm Lera + 2mm Cellplast + mm Lera Figur 29. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med mm lera på utsidan och mm lera på insidan av cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 261 kj/m² Temperaturvariation, 1mm Lera + 2mm Cellplast + 1mm Lera Figur 3. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med 1mm lera på utsidan och 1mm lera på insidan av cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 274 kj/m². Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

30 Temperaturvariation, mm Lera + 2mm Cellplast + mm Lera Figur 31. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med mm lera på utsidan och mm lera på insidan av cellplasten. I denna konstruktion är värmetrögheten 21 kj/m² Temperaturvariation, 2mm Lera + 2mm Cellplast Figur 32. Temperaturvariationen för de olika skikten i en vägg med cellplasten placerad innerst i väggen. Denna konstruktion har ingen värmetröghet. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28.

31 3.2.3 Energiförbrukning fall 2 Energiförbrukning (U=,29 W/m²K) Energiförbrukning (kwh/m²) Värmetröghet (kj) Figur 33. Energiförbrukning vid 1mm cellplast. Värmetrögheten är olika beroende på cellplastens placering medan U-värdet är konstant. Energiförbrukningen blir till följd av detta konstant förutom då värmetrögheten är. Energiförbrukning (U=,16 W/m²K) Energiförbrukning (kwh/m²) Värmetröghet (kj) Figur 34. Energiförbrukning vid 2mm cellplast. Värmetrögheten är olika beroende på cellplastens placering medan U-värdet är konstant. Energiförbrukningen blir till följd av detta konstant förutom då värmetrögheten är. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

32 Tabell 8. Energiförbrukning för huset med väggkonstruktioner från fall 2. Väggkonstruktion U-värde Värmetröghet Energiförbrukning 1 mm isolering 1 isolering + 3 lera, lera + 1 isolering + lera, lera + 1 isolering + 2 lera, lera + 1 isolering + lera, lera + 1 isolering + 1 lera, lera + 1 isolering + lera, lera + 1 isolering, mm isolering 2 isolering + 2 lera, lera + 2 isolering + lera, lera + 2 isolering + 1 lera, lera + 2 isolering + lera, lera + 2 isolering, Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

33 4. Diskussion Resultatet från fall 1 visar att en massiv lervägg måste vara 72mm tjock för att överhuvudtaget kunna ge tillbaka någon värme men den mängden är såpass liten att den kan försummas. På grund av det dåliga U-värdet går värmen i de tunnare lerväggarna rakt igenom väggen istället för att lagras. Vid jämförelse av de två väggkonstruktionerna visade det sig att lerväggen måste vara mer än dubbelt så tjock som träregelväggen för att komma upp i samma värmetröghet, det vill säga att träregelväggen är 4mm och lerväggen 9mm. Temperaturvariationskurvorna visar skillnaden mellan svängningar i lerväggen och i träregelväggen. Lerväggen svänger inte lika mycket på grund av att den är tyngre och har en hög värmekapacitet. Det tar därför längre tid för lerväggen att ändra temperatur. Vad gäller träregelväggen har den bara något lägre värmekapacitet än lerväggen men den är betydligt lättare, vilket gör att den snabbare ändrar temperatur. Ingen av lerväggarna i fall 1 når upp till BBR:s krav på energihushållning. För att se vilken dimension som behövdes för att klara kravet gjordes beräkningar för tjockare väggar än 9mm. Det visade sig då att kravet på energiförbrukning i den norra zonen kan uppnås om lerväggen är 18mm tjock. Redan detta anses orimligt då väggen är nästan lika bred som hög. För att uppnå den södra zonen måste väggen ha en tjocklek på 48mm. Att bygga ett hus med väggar som är dubbelt så breda som höga är helt orimligt. Alla träregelväggar som ingick i fall 1 nådde upp till det norra kravet och den tjockaste av dem, mm, nådde upp till det södra kravet. Resultatet från fall 2 visar att alla varianter av lerväggar med isolering ger tillbaka värme utom de då isoleringsskiktet har placerats innerst. När isoleringen placerats längst in kommer den att hindra värmen från att transporteras in i väggen, vilket gör att den inte heller kan ge något tillbaka. Temperaturkurvorna för en lervägg med isolering påminner om de för en massiv lervägg eftersom de inte har så stora svängningar men likheter finns även med en träregelvägg då temperaturerna är högre i väggen. Generellt sett visar kurvorna att värmetrögheten blir större vid 2mm isolering än vid 1mm. Eftersom isoleringsskiktets placering inte har någon inverkan på U-värdet kommer endast värmetrögheten att ändras vid de olika varianterna i fall 2. Resultatet av energiberäkningarna visar att även om värmetrögheten ökar vid ett konstant U-värde så blir energibehovet detsamma. I väggen med 1mm isolering är U-värdet sämre, vilket leder till en högre energiförbrukning. Alla dessa väggvarianter klarar energikravet för den norra zonen utom den med isoleringsskiktet längst in. Väggen med 2mm isolering får ett bättre U-värde och därmed en lägre energiförbrukning, vilket gör att alla de varianterna klarar det södra energikravet utom den med isoleringsskiktet längst in. Den sistnämnda klarar dock det norra kravet. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

34 Lerväggen med 2mm isolering och träregelväggen med mm isolering klarar båda av den södra zonens energikrav. Detta trots att de båda har skilda värmefysikaliska egenskaper. Lerväggen uppnår kravet med ett relativt dåligt U-värde (,16 W/m²K) men en hög värmetröghet (24 kj) medan träregelväggen har ett bra U-värde (,66W/m²K) och en relativt låg värmetröghet (26,8 kj). Fall 2 visar att vid en viss gräns kan väggen inte lagra mer värme, lagret är fullt. Även om värmetrögheten ökar ändras inte energiförbrukningen vid ett konstant U-värde. De U-värden som använts till övriga delar i klimatskalet påverkar resultatet så att energiförbrukningen skiljer sig åt beroende på vilka värden som väljs. I dessa beräkningar har samma U-värden använts oberoende av vilken vägg som testats. Detta gör att resultaten i sig kan jämföras, medan de exakta värdena blir annorlunda om andra värden hade valts. Hade ett lägre U-värde valts på exempelvis tak hade detta lett till att energiförbrukningen blivit lägre men den hade blivit lika mycket lägre i alla beräkningar. Samma resonemang gäller för all indata i energiberäkningsprogrammet. Vid beräkning av energiförbrukning gjordes en del ändringar i programmet vad gäller fördelningen av gratisenergi. Denna omfördelning kan inte göras helt korrekt då alla hushåll har olika vanor vad gäller användning av hushållsel och under vilka timmar huset står tomt. Fördelningen av gratisvärme har skett genom en uppskattning av hur de flesta människor lever och kan därmed inte stämma in på alla. Resultatet visar att det i söder behövs tjockare väggar än i norr vilket kan uppfattas som felaktigt. Anledningen till detta är att kravet för den södra zonen är strängare än för den norra. Detta beror på att det är kallare i norr vilket ger ett större energibehov. Vid dessa beräkningar har klimatdata för Karlstad använts och energiförbrukningen har sedan jämförts med båda kraven då Värmland kan räknas till både norra och södra zonen. Skulle klimatdata för en annan ort i Sverige använts skulle resultatet bli annorlunda. Ytterligare en faktor som påverkat resultatet är att inomhustemperaturen har antagits ha en viss svängning. Hade svängningen varit större hade förmodligen värmetrögheten blivit större, om den hade kunnat utnyttjas av de boende. Risken med så pass stora temperaturvariationer inomhus är att energi vädras ut om det blir för varmt. Att ha en större variation på temperaturen är grader behöver därför inte betyda att det blir en större nytta med värmelagring. Värmetrögheten är uträknad för ett dygn med en utomhustemperatur som motsvarar årsmedeltemperaturen för Karlstad. Värmetrögheten för detta dygn antas sedan gälla för alla dagar på året. Hade en lägre utomhustemperatur använts hade värmetrögheten blivit lägre och tvärtom. Ett annat sätt att ta fram värmetrögheten för ett år är att i Excelprogrammet räkna för temperaturändringar för 36 dygn, där varje dygn har en egen utomhustemperatur. Detta resultat hade blivit mer exakt. Utnyttjandegraden är i dessa beräkningar 1 % vilket påverkar på resultaten. Detta antagande är grundat på att de som bor i ett hus som är konstruerat för att kunna lagra Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

35 värme som en del av energitillförseln måste låta temperaturen svänga för att det ska fungera. Vid energiberäkningar måste antaganden och förenklingar göras. Det leder till att inga energiberäkningar stämmer helt överens med verkligheten utan visar ungefär hur det blir. Detta gäller såväl dessa beräkningar som avancerade energiberäkningsprogram. Denna studie visar hur en lervägg ska vara konstruerad under de förutsättningar som gäller för just detta arbete. En annan utgångspunkt vore att istället se vad en given lerkonstruktion behöver för förutsättningar, exempelvis ta reda på vilket klimat som lämpar sig bäst. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet, 28. 3

36 . Slutsats Det går inte att bygga ett hus med massiva lerväggar som under dessa förutsättningar klarar kraven på energihushållning. Konstruktionen får ett så dåligt U-värde att värmen går rakt igenom väggen och värmelagringsförmågan kan på så vis inte utnyttjas. För att kunna använda lera som byggmaterial krävs ett isolerande skikt. Detta har till uppgift att hindra värmen från att försvinna ut ur väggen. Placeringen av isoleringen är av stor betydelse för värmetrögheten. Att placera det på insidan av väggen leder till att värmetrögheten blir noll, då värmen hindras från att ta sig in i den värmelagrande delen. Högst värmetröghet blir i de fall då 1mm lera finns på insidan av isoleringen och det även finns lera på utsidan av denna. Eftersom en isolerad lervägg med sämre U-värde men med bra värmetröghet får samma energiförbrukning som en träregelvägg med ett bättre U-värde och sämre värmetröghet tyder detta på att värmetrögheten kan kompensera ett högt U-värde. Eftersom värmetrögheten är beroende av U-värdet så borde båda dessa faktorer beaktas vid energiberäkningar. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

37 6. Tackord Ett stort tack riktas till Stefan Frodeson och Jens Beiron vid Karlstads universitet. Tack även till Lerbyggeföreningen i Sverige för tips och inspiration. Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

38 Referenslista 1. Knutsen, Lars Chr., Korsvirkesmagasinet vid Lilla Södergatan i Lund : Korsvirkesarkitekturens historiska utveckling. Uppmätning, dokumentation och riktlinjer för renovering av ett korsvirkesmagasin, CTH, Examensarbete,Göteborg, Thornberg Knutsson, Agneta, Restaurering i teori och praktik : metodik vid restaurering av tyska och svenska korsvirkesbyggnader, Univ., Institutionen för kulturvård, Göteborg, Lindberg, Eva-Rut, Lerjord som byggmaterial : en lägesrapport för år 2 skriven för Byggforskningsrådet, Stockholm, Aronsson, Kjell-Åke (red.), Tradition i trä : en resa genom Sverige = Traditions in wood : a journey through Sweden, Byggförl., Stockholm, 22. Lindberg, Eva-Rut, Lera : det miljövänliga byggmaterialet : resultatet från en undersökning av fukt och värmefysikaliska egenskaper hos lerstensmur, Stockholm, Petersson, Bengt-Åke, Tillämpad byggnadsfysik, 2. uppl., Studentlitteratur, Lund, Hagentoft, Carl-Eric, Vandrande fukt, strålande värme : så fungerar hus, Studentlitteratur, Lund, Sandin, Kenneth, Fukt och värme, 1. uppl., Esselte studium, Solna, Regelsamling för byggande : boverkets byggregler, BBR : BFS 1993:7 med ändringar till och med 26:12, 1. uppl., Boverket, Karlskrona, 26 Examensarbete av Anna Nilsson och Stina Vendel, Karlstads universitet,

39 Bilaga 1 Materialdata λ (W/mK) ρ (kg/m³) cp (J/kgK) Lera, Gips, Mineralull,36 8 Cellplast,