Energieffektivisering, Seminare , verision 1. Tunga byggnader och termisk tröghet En energistudie

Transkript

1 Energieffektivisering, Seminare , verision 1 Tunga byggnader och termisk tröghet En energistudie Robert Granström Marcus Hjelm Truls Langendahl robertgranstrom87@gmail.com hjelm.marcus@gmail.com tlangendal@msn.com

2 Teori Tunga hus bygger på materials termiska tröghet, med andra ord ett materials värmelagringsförmåga. Teorin bygger på att man använder det inre klimatskalet som en ackumulatortank och på så vis utjämna dygnsvariationerna. Ett tungt hus tillsammans med smart temperaturstyrning leder till en billigare elräkning. En förutsättning för att tunga hus ska fungera bra är att det tillåts en viss temperaturvariation i inomhusmiljön. Ett materials termiska tröghet beror på materialets värmekapacitet, värmeledning och densitet och går under benämningen värmeinträngningskoefgicient. Densiteten har stor inverkan därav namnet tunga hus. Det optimala materialet har ett högt Cp, hög densitet och en balanserad värmeledningsförmåga. Målet är alltså att ha ett material som kan lagra en stor mängd energi, på en liten yta samt att kunna ta till sig och avge energin under 12 timmars perioder. Det materialet som bäst motsvarar dessa krav är idag betong. När det sker en plötslig temperaturförändring i ett rum t.ex. vid nattkyla kommer omgivande väggar och tak följa med i temperatursänkningen. Hur långt in i väggen som temperaturen tar sig under 12 timmar kallas för effektiv tjocklek. För betong ligger den tjockleken på 130mm. Du får alltså inte en bättre ackumulator om du bygger tjockare eftersom väggen då inte hinner med att förändra sig. Har väggen inte hunnit byta temperatur ger den ingen kylande effekt när du sen drar upp temperaturen igen under dagen. Väggens effektiva tjocklek är starkt kopplat till materialet värmeledningsförmåga. Isolerar man väggarna från ändringar i inomhustemperatur följer följaktligen inte väggarna med lika bra i temperaturändringarna och deras påverkan blir alltså mindre. Detta är en effekt som inte är marginell och tåls därför att tänka på. Se Gigur 1. Figuren beskriver hur den effektiva tjockleken minskar med olika typer av isolering. Oisolerad betong har en effektiv tjocklek på 130 mm Figur 1 - Effektiv tjocklek i betong på grund av isolering. Det materialet som används idag är främst betong. Betongväggen måste då vara ca 130 mm tjock för att klara av dygnet. Det blir inte bättre av att bygga tjockare av den anledningen att materialets tröghet gör att betongen djupare in än 130 mm inte kommer att följa med i temperatursvängningarna och därför inte bidra till den ackumulerande energin. 2(5)

3 Några vanliga material på innanväggar är gips och betong. Beräkningen enligt tabell 1. ger resultat Cp SpeciFika värmekap. [J/kg K] ρ Densitet [kg/m 3 ] d Djup [m] Q Värmelagringsförmåga [kj/m 2 K] Betong , ,905 Gips ,025 24,75 Tabell 1 - Värmelagringsförmåga för två vanliga innerväggar. För att få lika hög värmelagringsförmåga i gips som i en 113 mm tjock betongvägg behövs det 250 mm gips. Men det är dock inte bara värmelagringsförmåga som spelar roll utan även materialets värmeledningsförmåga. Praktisk funktion Effektbehovet för kyla i en byggnad kan reduceras betydligt med tunga konstruktioner. I vissa fall har dessa visat sig spara upp till 30 % jämfört med lätta konstruktioner. Precis som kylbehovet kan man även minska sina uppvärmningsbehov. För enfamiljshus och kontorsbyggnader så ligger energibesparingen på 7-13%. Nattventilation är det vanligaste sättet att minska den tillförda mekaniska energiförbrukningen med avseende på kylning. Nattventilation i kombination med en stor termisk tröghet kan minska kylbehovet med upp till 50%. För att få en känsla för hur bra värmelagringsförmåga olika material har så kan man titta på hur hög övertemperatur som krävs för att värma ett rum i 12 timmar. För betong krävs en övertemperatur på ca 3 C För trä krävs en övertemperatur på ca 14 C Funktion På sommarnätter ventileras utrymmen och byggnadens stomme kyls ner av den svala utomhusluften. På sommardagen så kyls den varma utomhusluften genom att värme transmitteras mot de svalare stommen. Även värme från människor och apparater transmitteras. På vinterdagen lagras överskottsvärmen i stommen. På vinternatten kan lokalerna hålla temperaturen på en högre nivå tack vare den lagrade energin i stommen. Figur 1 - Funktionen av termisk tröghet under sommar- och vinterdagar respektive nätter. 3(5)

4 Modell för att simulera nyttan. Tunga byggnader och termisk tröghet. Ver 1 För att kunna simulera tunga byggmaterial påverkan görs en förenklad modell på ett referensrum. Referensrummet är en våning på 7 x 8 x 3 meter inredd med 6 st. kontorsbås. Varje bås Ginns en dator i drift och en person som utvecklar 200 respektive 300 watt, samt totalt 9 st lysrörsarmaturer som avger 23 W vardera 10h per dygn. Figur 3. T.v. planlösning av referensrummet. T.h. Sandwishelement, nattetid avger innre betongskalet värme till både rummet och uteluft. Som klimatskal inräknas endast tre av väggarna då resterande anses vätta mot tempurerade utrymmen. Väggarna är uppbyggda av sandwichelement enligt Gigur där det inre betongskalet anses kunna nyttjas för att ackumulera värme. Tack och golv är också av betong där ett djup på 130mm anses kunna nyttjas för värmeackumulering. Sammanslagen volym med ackumuleringsmöjligheter blir 23 m 3, med en temperatursänkning på 3 grader innebär det en ackumuleringskapacitet på 35,5 kwh. Nattetid simuleras en sänkning på 3 C, det vill säga, utrymmet tillåts sjunka 3 C innan värme tillförs rummet. Då sker en värmeavgivning från den väggens inre betongskall, delvis till uteluften genom en isolering med U- värde = 0,2 W/m 2 K, och delvis till rummet med värmeövergång Ri 0,13 m 2 K/W. En avgiven total effekt för berörda betongdelar utstrålar då 4,4 kw. Tiden som betongen kan upprätthålla en rumstemperatur över 17 C blir då kvoten av ackumuleringskapaciteten genom värmeavgivningseffekten. Rummet klarar under dessa förutsättningar en total nattavstängning av tillförd värme under 8 h. Som referens klara en vägg av gips, mineralull, lockpanel, endast 6 minuter med samma förutsättningar. Den energi som ackumuleringkapaciteten kan ta tillvara är från en tillfällig ökad värmeavgivning. I detta fallet kan det vara ifrån belsysning, datorer och personer. Under en 10h arbetsdag blir den samanslagna värmeavgivningen 32 kwh vilket detta refrensrum klarar av. 4(5)

5 Figur 4. Antagna värden och resultat från beräkningen av referensrummet med simulerad nattsänkning. 5(5)