EARTH SCIENCES CENTRE GÖTEBORG UNIVERSITY B BYGGNADSMATERIALETS INVERKAN PÅ TEMPERATURMÖNSTREN OCH VÄRMEFLÖDET I EN GATUKANJON

Transkript

1 EARTH SCIENCES CENTRE GÖTEBORG UNIVERSITY B BYGGNADSMATERIALETS INVERKAN PÅ TEMPERATURMÖNSTREN OCH VÄRMEFLÖDET I EN GATUKANJON Rixa Schwarz Department of Physical Geography GÖTEBORG 2004

2

3 GÖTEBORGS UNIVERSITET Institutionen för geovetenskaper Naturgeografi Geovetarcentrum BYGGNADSMATERIALETS INVERKAN PÅ TEMPERATURMÖNSTREN OCH VÄRMEFLÖDET I EN GATUKANJON Rixa Schwarz ISSN B425 Projektarbete Göteborg 2004 Postadress Besöksadress Telefo Telfax Earth Sciences Centre Geovetarcentrum Geovetarcentrum Göteborg University S Göteborg Guldhedsgatan 5A S Göteborg SWEDEN

4

5 Sammanfattning Den nuvarande stadsklimatologiska forskningen utgörs till stor del av studier i urbana gatukanjoner angående bland annat energibalans, luftcirkulation och temperaturmönstren. Värmelagring i byggnadsmaterial i städer är den grundläggande processen för bildningen av en urban värmeö varför även byggnadsmaterialens inverkan på stadsklimatet spelar en betydlig roll inom stadsklimatologin. Detta examensarbete i naturgeografi grundar sig på en stadsklimatisk undersökning i en gatukanjon i centrala Göteborg, Sverige. Syftet är att undersöka byggnadsmaterialens inverkan på temperaturmönster och värmeflöden i en gatukanjon. För att uppnå detta syfte genomfördes temperaturmätningar både i kanjonen samt i byggnaderna som avgränsar kanjonen under våren Inomhustemperaturen mättes för att senare med hjälp av temperaturen på fasadens utsida och information om husens uppbyggnad beräkna värmeflöden genom byggnadernas ytterväggar av olika material. Infrarödbilder togs och punktuella temperaturmätningar utfördes på kanjonens fasader för att undersöka fasadernas temperaturmönster. Av studien framkom att värmeflödet så väl som fasadernas temperaturmönster varierar med byggnadsmaterialen. Den nyaste byggnaden förfogar över bäst isolering vilket återspeglas i lägst uppmät temperaturvariation på fasaden samt lägst värmeflöde jämfört med de övriga byggnaderna. De äldre byggnaderna däremot uppvisar ett högre värmeflöde än den yngsta byggnaden. Dessutom är temperaturvariationen på de äldre byggnadernas fasader större än på den nyare byggnadens fasad. Jämförelsen av de använda tegeltyperna visar dock att de äldre byggnadernas tegel har mindre värmelagringskapacitet än teglet i den nyaste byggnaden. Därmed blir det tydligt att både isoleringsgrad och därmed värmeflödet samt val av fasadens yttersta material med vissa värmeegenskaper avgör byggnadsmaterialens inverkan på en urban gatukanjons klimat. I frågan om värmeflödet har den nya byggnaden lägst klimatpåverkan, dvs. uppvärmningseffekt, i den undersökta kanjonen medan de äldre byggnaderna har starkast inverkan. Betraktar man endast fasadernas yttersta materialskikt visar det sig att den nya byggnaden har högre uppvärmningseffekt än de äldre byggnaderna. 1

6 Abstract The effect of building materials on temperature patterns and heatflow in an urban street canyon. Today s research in climatology of cities deals often with studies of urban street canyons concerning factors such as energy balance, air circulation and temperature patterns. Heat storage in building material used in cities is the fundamental process for the development of urban heat islands and thereby even the effect of building materials to the climate of street canyons has an important roll in climatology of cities. This thesis in physical geography is based on a practical, climatologically study in an urban street canyon in center Gothenburg, Sweden, and aims on studying the building material s impact on the temperature patterns and the heat flux in an urban street canyon. To reach this aim, temperature was measured both in the canyon and inside the buildings that limit the chosen canyon in spring The inside temperature was measured to calculate the heat flux through the buildings walls that are constructed of different building material, by using the outside temperature and information about the material of the walls. Infrared pictures were taken and punctual temperature measurements were carried out on the buildings front to analyze the facades temperature patterns. The result of the study is that heat flux, as well as the facades temperatures vary with the building materials. The newest building has the best insulation, which is reflected in the buildings low temperature variation over the facade and the low heat flux in comparison with the other buildings. The older buildings have a much higher heat flux than the newest building s heat flux. Furthermore, the temperature variations on the old buildings facades are higher than on the new building. Comparison of the brick types used shows nevertheless that the older building s bricks have a lower heat storage capacity than the newer building s bricks. Thereby is shown that both the insulation, influencing the heat flux, and the facades outer material with certain heat properties have an impact on the climate of street canyons. Regarding the heat flux the new building has the lowest effect, meaning heating effect, while the oldest buildings have the strongest influence. Taken only the facades outer material in consideration it is shown that the newer building has a higher heating effect than the older buildings. 2

7 Förord Denna uppsats skrevs som examensarbete, 20 poäng, i naturgeografi och ingår i det geovetenskapliga programmet som jag läste på Göteborgs universitet, Geovetarcentrum (GVC), avdelning för naturgeografi. Uppsatsen handlar om byggnadsmaterialets inverkan på en gatukanjons klimat och ingår i projektet The climate of urban street canyons. Huvudansvarig för projektet är docent Ingegärd Eliasson vid GVC som också var min handledare och gav idén till uppsatsämnet. Jag vill tacka henne för bra handledning och rådgivning angående den praktiska såväl den skriftliga delen av mitt examensarbete. Doktorand Hanna Gaunt var också mycket engagerad för att stöda mig vilket jag tackar henne för. Tacksamhet riktas även till Hans Alter och doktorand Fredrik Lindberg för hjälpen med instrumenten och annat praktiskt. Jag tackar doktor Brian Offerle för hjälp med data och fackliga diskussioner. Docent Mats Olvmo förtjänar ett stort tack för uppmuntrande seminarier och tro på sina studenter. Dessutom vill jag tacka studenterna på GVC, min sambo och mina kompisar som på ett eller annat sätt har bidragit till detta arbete. 3

8 Innehållsförteckning Sammanfattning....1 Abstract Förord Inledning Stadsklimatet Byggnadsmaterialets egenskaper och betydelsen för stadsklimatet Projektet The climate of urban street canyons Syfte och frågeställningar 9 2. Områdesbeskrivning Göteborgs klimat Gatukanjonen Metodik Mätningar Databehandling Bearbetning av IR-bilderna Mätningar med IR-pistol Beräkning av värmeflödet Felkällor Resultat IR-bilder Temperaturvariation med material Temperaturvariation med höjden Temperaturvariation med vädret IR-termometern Temperaturvariation med byggnadsmaterial Temperaturvariation med olika nivåer Temperaturvariation under dygnet Temperaturvariation under olika vädersituationer Värmeflöde Byggnadsmaterialens värmeflöde Variation i värmeflöde med vädret Värmeflödet med teoretiskt utbytt material Diskussion Fasadernas temperaturmönster Variation i värmeflöde Byggnadsmaterialens inverkan på en kanjons klimat Slutsatser Framtida forskning Referenser

9 Som också var förväntat uppvisar fönstren mycket högre värmeflöden än tegelväggarna, vilket kan förklaras med väggarnas tjocklek som hämmar värmeflödet samt att fönsterglasets höga värmeledningsförmåga gynnar värmeströmningen. Fönstren av den andra byggnaden har dock ett lägre värmeflöde än byggnadens väggar, vilket kan förklaras med den generella uppfattningen att värmeförlusten genom fönstren är stor och att denna förlust efter oljekrisen skulle minimeras. Detta lyckades man med när byggnad 2 byggdes på 1980-talet. Ur undersökningen resulterar att värmeflödet varierar även med höjden på fasaden. Så är värmeflödet minst på bottenvåning och ökar med de övre våningarna. Detta kan delvis förklaras med den större skillnaden mellan inomhus- och utomhustemperatur med ökad nivå, alltså med den ökande SVF med höjden. Starkast avtagande beräknades för de äldre byggnaderna som saknar homogen uppbyggnad av ytterväggarna. Avtagandet i värmeflöde med ökad höjd hänger på så sätt även samman med väggarnas tjocklek, byggnadsmaterial och isoleringsgrad. Beräkningen av värmeflödet för teoretiskt utbytta hustyper i kanjonen visar att värmeflöde skulle vara minst om kanjonen avgränsades av moderna glasfasader. Det moderna glaset som används allt oftare i den nutida arkitekturen (Burström, 2001) är väldigt energieffektiv genom att det har en i jämförelse med vanligt fönsterglas gering emissivitet och därmed en minskad värmeledningsförmåga. Lägre emissivitet leder till bättre resistens mot värmeförlust genom glas då långvågig strålning reflekteras och värmeegenskaperna därmed förbättras ( Även burspråkshus av lättbetong skulle i kanjonen ha ett mindre värmeflöde än samtliga befintliga tegelhus i kanjonen. Lättbetong med sin låga värmeledningsförmåga isolerar därmed bättre än tegel. Landshövdingshus har enligt beräkningen en oväntad liten energiförlust. Detta visar att de i Göteborg mycket vanliga landshövdingshusen i jämförelsen med undersökningsområdet har en relativt bra isolering och att värmeförlusten genom landshövdingshusens fasader är mindre än genom de flesta tegelhus. Landshövdingshusens värmeflöde utgörs av ett högt flöde genom bottenvåningen av tegel. De övre våningarna av landshövdingshusen som är byggda av trä, ett luftskikt och panel släpper mycket mindre värme igenom än bottenvåningen. Eftersom trä är en bättre isolator än både tegel och glas uppvisar trähus generellt alltså en bättre isolering än tegelhus. Ändå känns landshövdingshus ofta kalla och dragiga (observation) vilket leder till att beräkningens resultat överraskar. En möglig förklaring till detta är att det kan finnas mellanrum mellan till exempel väggarna och fönstren som inte är täta och släpper igenom luft Byggnadsmaterialens inverkan på en kanjons klimat Sammanfattande kan det konstateras att byggnadsmaterialets inverkan på en gatukanjons klimat varierar starkt mellan olika byggnadsmaterial. Det framkom av undersökningen att de viktigaste faktorerna som avgör hur starkt ett material respektive sammansättningen av olika material i en husvägg påverkar klimatet är värmeflöde och termisk admittans. Värmeflödet som är beroende av materialens isoleringsverkan avgör hur starkt den antropogena värmeproduktionen genom uppvärmning av inomhusrummen påverkar klimatet på en kanjon eller generellt klimatet i städer. Byggnadsmaterialens termiska admittans är däremot värmeegenskapen av materialen som styr hur stark uppvärmningseffekt på klimatet materialen har. Eftersom detta gäller vara den effektivaste processen för bildningen av urbana värmeöar är byggnadsmaterialets val med hänsyn till låg värmelagringskapacitet viktigast så länge materialet ger en viss isolering. Inom arkitekturen låg fokusen dock länge på att garantera den bäst möjliga isoleringen. Ett bra exempel är den under 1980-talet planerade byggnad 2 som 42

10 har den effektivaste isoleringen i undersökningsområdet. Byggnad 2 påverkar klimatet genom värmeförlust därför minst i den undersökta kanjonen. Ur studiet framgick visserligen att byggnadens termiska admittans är hög så att byggnaden värmer klimatet i kanjonen betydligt trots effektiv isolering. Samma slutsatser kan dras om byggnad 4 som också har en bra isolering och hög värmelagringskapacitet. Byggnader 1 och 3 har däremot mindre effektfull isolering och låg värmelagringskapacitet. De undersökta byggnadernas klimatuppvärmning är därmed uppskattningsvis ungefär lika stor trots att det är olika faktorer som står för den huvudskaliga orsaken till uppvärmningen. Det är dock svårt att jämföra värmeflödets och värmelagringskapacitetens påverkan. I denna studie anges värmeflöden i W/m 2 medan värmekapaciteten inte beräknades utan bara uppskattades efter byggnadernas temperaturer. Ur litteraturen framgår dock att de beräknade värmeflöden i utsträckning kan jämföras med uppvärmningen genom materialens specifika värmekapacitet. En närmare undersökning krävs dock för att dra säkra slutsatser. Byggnader som byggnad 2 i kanjonen som har effektfull isolering men hög värmelagringskapacitet är bäst anpassade till kalla klimat, eftersom isoleringen i kalla klimat är viktigare än fasadens värmeegenskaper. I detta fall är byggnaden planerat för den bäst möjliga energibesparningen och uppvisar därför samma prioritet i val av byggnadsmaterial som byggnader i mycket kalla klimat. Sådana byggnader värmer klimatet för mycket med tanken på de möjligtvis allt oftare förekommande extremt varma somrar i Europa. För att anpassa dessa byggnader de under sommaren varma temperaturerna som inte ska intensiveras genom byggnaderna kan fasadernas albedo och emissivitet förändras. Lägre albedo uppnås exempelvis genom att måla en fasad vit eftersom ljusa ytor reflekterar mer strålning än mörka. Målningen av fasader ökar dock fasadernas emissivitet som är högre på målade fasader än på ej målade ( Det moderna glaset som nuförtiden ofta används som byggnadsmaterial i storstäder utmärker sig genom sin låga albedo och emissivitet samt en låg värmekapacitet. Dess tjocklek och de mellan glasen liggande oventilerade luftskikt minimerar ytterligare värmetransporten genom glaset och medför att glaset är en ytterst bra isolator. Den allt oftare användningen av glaset i av extremsomrar drabbade områden är därmed begrundad. 43

11 6. SLUTSATSER Temperaturen på fasaderna varierar med material, vädret, höjd, under dygnet och med materialet. Värmelagringskapacitet avgör fasadernas temperatur och fönstren är i snitt varmare än väggarna. Lufttemperaturen återspeglas i fasadens temperatur så att fasadernas temperatur är varmare vid soligt väder och kallare vid mulet väder. Temperaturen varierar under dygnet sammanhängande med inkommande strålning. Med ökad höjd på fasaden minskar dessutom temperaturen. Värmeflödet varierar med byggnadernas isolering så att de äldre byggnaderna (byggnad 1 och 3) med relativ dålig isolering har högst värmeflöde. Byggnad 2 däremot har en effektiv isolering och lägst värmeflöde av de undersökta byggnaderna. Värmeflödet genom väggar är generellt mycket mindre än det genom fönstren. Värmeflödet varierar med olika vädersituationer på så sätt att det är högre under mulet än under soligt väder, vilket beror på att temperaturskillnaden mellan inomhus- och utomhustemperaturen är större under kallare alltså mulet väder. Fasadens yttermaterial påverkar klimatet på kanjonen olika starkt beroende på dess termiska admittans. Yttermaterial med hög termisk admittans (byggnader 2 och 4) lagrar mer inkommande strålning under dagen och avger mer långvågig strålning under natten, vilket betyder att deras inverkan på kanjonens klimat är större än påverkan av yttermaterial med lägra värmelagringskapacitet (byggnader 1 och 3). Variation i konduktivitet mellan de undersökta fasadernas yttermaterial medför att yttermaterialen med högre konduktivitet (byggnader 1 och 3) har högre värmeflöde respektive mindre värmeflöde vid mindre konduktivitet (byggnad 2). De höga värmeflödena genom yttermaterialet måste hämnas med hjälp av bättre isoleringar för att minska inverkan på kanjonens klimat. Valet av byggnadsmaterialet i undersökningsområdet är i stort anpassat till det rådande klimatet. Värmelagringen i byggnadsmaterial har i Göteborgs tempererade klimat inga negativa konsekvenser för människorna. Staden är inte tillräckligt stor för att framkalla en så pass uppvärmande effekt att den kunde leda till negativ påverkan av människornas hälsa eller välbefinnande. Byggnadernas främsta funktion sett under hela året är här att sydda från kyla och nederbörd och byggnadsmaterialets värmelagring och uppvärmning av mikroklimatet är snarare en positiv bieffekt av byggnaderna än negativ. Minde förbättringar kan dock genomföras både i yttermaterialet och isoleringen särskilt med tanken på extremt varma somrar. Även om byggnadsmaterialen i huvudsak är väl anpassade till Göteborgs klimat visar sig visa byggnader vara bättre anpassad än andra. Mycket värmelagrande material kunde undvikas i framtiden och ersättas med mindre värmelagrande material. I frågan om isoleringen är de äldre byggnaderna på den undersökta kanjonen mindre bra isolerade och deras isoleringsmaterial kunde bytas ut mot mer effektivare så att de höga värmeflödena hämnas. Fasaden av byggnad 4 kunde målas vit för att hämma absorptionen. För framtida byggen kan glas med liten u-värde och lättbetong rekommenderas på grund av sina väl isolerande och värmeflöde hämmande egenskaper, men även trä isolerar väl. 44

12 6.1. Framtida forskning Undersökning lämnar utrymme för ytterligare forskning i samma gatukanjon. Angående metodiken kunde fler tinytags placeras i kanjonens byggnader samt att informationen om väggarnas materiella uppbyggnad kunde utforskas bättre. Dessutom kunde värmeflöde genom byggnadernas tak studeras utförligare och värmelagringen i gatan kunde undersökas. Vidare kunde det väljas fler olika vädersituationer så att det även kunde tas hänsyn på hur vindriktning och vindhastighet påverkar värmeflödet och fasadernas temperaturvariation. För en bättre jämförelse mellan olika byggnadsmaterialens påverkan på klimatet vore det rimligt att undersöka temperaturvariationen även på fasader av landshövdingshus, burspråkshus och helt förglasade fasader. Dessutom kunde det studeras utförligare hur uppvärmningen i kanjonen i praktiken sker, vilket är en väldligt komplicerad forskning eftersom ett antal komplexa processer är inblandade. REFERENSER 45

13 Araya, S.P.,1998. Intruduction to Micrometeorology, 2nd edn., Acadamic press, Inc., New York Arnfield, A. John, 2003, Two decades of urban climate research: a review of turbulences, exchanges of energy and water, and the urban heat island, International Journal of Climatology, 23:1-26, s Björk, C. & Reppen, L., (2000), Så byggdes staden, Ekblad & Co, Västervik, ISBN Björk, C., Kallstenius, P. & Reppen, L., (1984), Så byggdes husen , Formas förlag, Stockholm, ISBN Burström, P. G., (2001), Byggnads- material; uppbyggnad, tillverkning och egenskaper, Studentlitteratur, Lund, ISBN Eliasson, I., (1992), Infrared thermography and urban temperature patterns, International journal of remote sensing, 13, 5, s Fredriksson, A., (2003), Daggutfällningens påverkan på Göteborgs värmeö, Geovetenskapligt center, Göteborgs universitet, B379 Gaunt, H., (2003), Heat flux contribution from four different buildings to an urban canyon, opublicerad Grimmond, S. & Oke, T., (1998), Heat storage in urban areas: Local-scale observations and evaluation of a simple model, Journal of applied meteorology, s Goudie, A., (1984), Physische Geograghie: eine Einführung, Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg/ Berlin, ISBN Johansson, E., (1999), Thermal properties of building materials, Housing development & management (HDM) Lindquist, S., (1968), Stadsklimatiska modellförsök med infrarödtelevisionssystem, Televisionssystem i naturgeografisk forskning, s Offerle, B el at., (2003), The energy balance of an urban area, opublicerad Oke, T. R., (1978), Boundary Layer Climate, Routledge, London, ISBN Oke, T. R. (1988), The urban energy balance, Process in physical geography, 12: s Oke, T. R. et al. (1991), Simulation of surface urban heat islands under ideal conditions at night Part 2: Diagnosis of causation, Boundary Layer Meteorology 56: s Oke, T.R., (1999), Urban Heat Island: An overview of the research and its implications, opublicerad 46

14 Oke & Nuñez, (1976), The energy balance of an urban canyon, Journal of applied meteorology, s Roberts S., Oke T., Voogt J.A., Grimmond S. & Lemonsu A., (2003), Energy storage in a european city center, Statens planverk (1976), Svensk byggnorm 1975, kap. 39 Energihushållning, Liber Förlag, Stockholm Steinecke K. (1999), Urban climatological studies in the Reykjavik subarctic environment, Iceland. Atmospheric Environment 33: ST TM ProPlus XB, Bedienungsanleitung, Rev. E 2/03 Vedin, H., (1995), Lufttemperatur. I Raab, B & Vedin, H (red) Sveriges national atlas, Klimat, sjöar och vattendrag. Italien. s Williamson, T.J., (2001), Thermal Performance simulation and the urban microclimate: measurements and prediction, Building Simulation, s Yoshida, A., (1999), Surface heat transfer and energy balance in urban canyon, ICUC, Sydney Internet: Element AB, 24 Augusti Engineering Service Gmbh, 4 Juni University of Arizona, 14 Maj Gorell windows and doors, 7 Juni almanac/arc2001/alm01jul.htm: Helpdesk, 27 April Institute for research in construction, 7 Juni Foilex, 27 April Klimadiagramme weltweit, 20 April Socalglas, 7 Juni Göteborgs universitet, 19 Maj Hawco, 7 Juni

15 Göteborgs Stadsbyggnadskontorets arkitektritningar: Byggnad 1: (Nordstaden 18:1) Nr: Byggnad 2: (Nordstaden 18:3-4) Nr: , Byggnad 3: (Nordstaden 17:7) Nr: Byggnad 4: (Nordstaden 17:6) Nr: ,