Energieffektiv kontorsbyggnad med la internva rme Simuleringar

Energieffektiv kontorsbyggnad med la internva rme Simuleringar Åke Blomsterberg, Kajsa Flodberg, Marie-Claude Dubois, Energi och ByggnadsDesign, Arkitektur och byggd miljö, Lunds Universitet.

Innehåll Bakgrund...2 Syfte...3 Genomförande...3 Resultat...4 State-of-the-art för kontor...4 Verksamhetsel...6 Dagsljus- och belysningsanalys...7 Energi och inneklimatsimuleringar...8 Slutsats...9 Fortsatt forskning...9 Referenser... 10 Bakgrund Enligt EU:s Direktiv om Byggnaders Energiprestanda, EPBD, ska alla nybyggda hus vara nära nollenergibyggnader i slutet av 2020 (European_Parliament, 2010). Senaste statistiken för kontorsbyggnader (Stegvis STIL år 1) visar dock att befintliga kontor av olika ålder i Sverige använde i genomsnitt 210 kwh/m 2 år 2005 (Energimyndigheten 2007). Hälften av denna energianvändning var fjärrvärmeanvändning för uppvärmning och beredning av varmvatten i 2/3 av kontorsbyggnaderna. Resterande del (108 kwh/m 2 ) av energianvändningen var el och utav den totala elanvändningen visade sig hälften (57 kwh/m 2 ) vara verksamhetsel, varav 21 kwh/m 2 gick till belysning. Framförallt avslöjade inventeringen av de 123 kontoren en stor spridning mellan minsta och största värde, vilket tyder på en stor förbättringspotential för kontor generellt. Idag bygger vi bättre klimatskal och återvinner värmen i ventilationsluften i allt högre grad jämfört med de flesta kontoren som var med i stegvis STIL. Figur 1 visar att värmeanvändningen stadigt minskar i våra lokaler. Samtidigt ökar den övriga energianvändningen, främst elanvändningen på grund av att vi använder mer och mer utrustning. Elanvändningen alstrar värme vilket leder till internlaster och överskottsvärme, vilket minskar värmebehovet men ökar kylbehovet. Dessutom har en trend varit att bygga kontor med stora glasfasader vilket i många fall orsakar ett överskott av solvärme och komfortproblem. Värmeöverskottet från internlaster och solvärme innebär ett onödigt stort kylbehov i vårt kalla klimat. Glaskontor byggs alltjämt. 2

200 150 100 50 Värme Övrig energi 0 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 Figur 1 Energianvändning i lokaler (kwh/m 2,år). Data från Energimyndigheten (2011). Mot denna bakgrund initierades forskningsprojektet Energieffektiv kontorsbyggnad med låg internvärme - Simuleringar och projekteringsriktlinjer i ett samarbete mellan LTH och NCC. Syfte Det övergripande syftet med projektet har varit att öka kunskapen om hur byggbranschen kan säkerställa kostnadseffektiva kontorsbyggnader med bra inneklimat och låg energianvändning. Målet har varit att, med hjälp av beprövad teknik, halvera den totala energianvändningen jämfört med ett vanligt nybyggt kontor. Fokus har varit att minska elanvändningen för kontorsutrustning och belysning och därmed även minska internvärmen och kylbehovet. Delmål har varit: att studera hur mycket internvärmen dvs. elanvändningen för kontorsutrustning (PC, skrivare, kopieringsmaskiner, faxar, laddare), belysning, servrar m.m. kan sänkas och om detta räcker för att inte behöva kyla hela byggnaden med en traditionell kylanläggning. Detta gäller både för nya och befintliga kontor. att bestämma hur fasaden måste utformas (värmeisolering, lufttäthet m.m.) för att kunna förenkla värmesystemet. att studera utformning och drift av ventilationssystem. detaljerade analyser av utformning, drift och styrning av solavskärmning, med avseende på dagsljus, belysning och visuell komfort. att göra detaljerade analyser av olika systemlösningar. att genomföra energi- och inneklimatsimuleringar. Genomförande Projektet genomfördes av en projektgrupp med stöd av en referensgrupp. I projektet deltog en forskarstuderande, Kajsa Flodberg (NCC-industridoktorand). Huvudhandledare för forskarstuderande och projektledare var Åke Blomsterberg (LTH), bitr. handledare Marie- Claude Dubois (specialist på dagsljus och belysning, LTH) och Katarina Heikkilä (specialist på installationsteknik, NCC). Projektgruppen bestod av ovannämnda personer, samt Hans Wetterlund (specialist på energisimuleringar med IDA ICE, WSP), Peter Pertola (specialist på dagsljus och belysning, WSP). Referensgruppen bestod av Björn Berggren (Skanska), Ola Dellson (White Arkitekter), Rikard Sjöqvist (Midroc), Li Lövehed (EON), Thorbjörn Laike (LTH). Totalt genomfördes sex protokollförda referensgruppsmöten. 3

Projektet inleddes med att forskarstuderande Kajsa Flodberg studerade exempel på existerande lågenergikontor, framförallt i Norra Europa. Vanliga typer (geometri, klimatskärm, installationssystem, dagsljusteknik, solavskärmning, belysningsteknik, storlek, verksamhet mm) av moderna/framtida kontorsbyggnader i Sverige definierades. En detaljerad kravspecifikation med funktionskrav på inneklimat och energianvändning (totalt, samt för värme, kyla och el) för framtidens kontor upprättades av Åke Blomsterberg. Statistik på elanvändning för kontorsbyggnader sammanställdes av Åke Blomsterberg, med hjälp av STIL-projektet (Persson 2005 och 2006) och Sveby-projektet (Levin 2010). En sammanställning gjordes av Åke Blomsterberg och Marie-Claude Dubois över elanvändning och övriga prestanda för dagens och morgondagens kontorsutrustning och utrustning för belysning/dagljus inkl. styrning. Beräkningar och analyser genomfördes av Kajsa Flodberg, med stöd av handledare och projektgruppen. Energianvändningen för värme och kyla, elanvändningen för fastighet och verksamhet under ett år, samt den termiska komforten analyserades i detalj. En detaljerad planering av simuleringarna genomfördes. Dessa gjordes med hjälp av IDA ICE 4.0 för - en uppdaterad referensbyggnad från forskningsprojektet Kontorsbyggnader i glas energi och klimat och en ny referensbyggnad. Referensbyggnaderna är två vanligt förekommande byggnadsformer: - en långsmal byggnad med rektangulär planform, från forskningsprojektet - en ny referensbyggnad med kvadratisk form med en glasgård i mitten. Denna byggnad tillkom efter studien av existerande lågenergikontor. - referensbyggnaderna ombyggda till lågenergistandard med dagens teknik. Parallellt analyserade Marie-Claude Dubois med hjälp av en litteraturstudie och Daysimberäkningar (gratis Radiance-baserat dagsljusanalysprogram för att beräkna den årliga tillgången på dagsljus och elanvändning för belysning i en byggnad för manuell och automatisk styrning av belysning och solavskärming) dagsljus- och belysning, samt visuell komfort för olika tekniska lösningar, som finns kommersiellt tillgängliga idag. Möjlig reduktion av elanvändningen för belysning med bibehållen visuell komfort bestämdes och användes vid ovannämnda energisimuleringar. Resultat State-of-the-art för kontor I state-of-the-art studien samlades information in om 24 befintliga eller projekterade lågenergikontor i norra Europa (Flodberg 2012). Vanliga typer av arkitektoniska och tekniska lösningar analyserades och erhållna uppgifter om energianvändning visas i figur 2. Observera att det är köpt energi som presenteras, inte byggandens energibehov. Länderna i studien har olika energikrav och olika sätt att redovisa energin på, vilket gör att jämförelsen i diagrammet inte blir helt rättvis. I flera fall har energianvändningen konverterats från primärenergi till köpt energi med hjälp av nationella omvandlingsfaktorer, vilket innebär en viss risk för fel. Staplarna längst till vänster visar referensvärden i form av genomsnittlig energianvändning för befintliga svenska kontor (Building stock, från stegvis STIL) samt en fiktiv byggnad som uppfyller BBR18 (New building). Majoriteten av byggnaderna har en lägre total energianvändning (summan av fastighetsel, kyla, varmvatten och värme) än BBR18-4

byggnaden. I de fall det fanns information om uppmätt verksamhetsel redovisas denna som en vit stapel på toppen. kwh/m 2, år 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Building stock (SE) New building (SE) Bravida (NO) Aibel (NO) Pennfäktaren (SE)* Wagner (DE) Plaza BP (FI)* Hagaporten (SE) Kaggen (SE) Stavanger BP (NO)* Alberga BP (FI)* Regionshaus (DE) Waterfront (SE)* UN House (NO) Kungsbrohuset (SE)* Energon (DE) Skejby (DK)* Jungmannen (SE)* Barnim (DE) Verksamhetsel Fastighetsel Kyla Varmvatten Värme SIC (DE) SOL4 (AT)* Kolding CH (DK)* ENERGYbase (AT)* Lamparter (DE) BOB (DE) Esslinger (CH)* Figur 2 Köpt energi (kwh/m 2,år) för befintliga lågenergikontor i norra Europa. Uppmätta samt beräknade (*) värden. Tyskland är det land som var först ut med att bygga lågenergikontor och det var också här som det internationella passivhusinstitutet grundades 1996. Många av de tyska kontoren i studien har varit med i ett forskningsprogram (EnBau) för att bygga kontor med mycket låg primärenergianvändning. Lägsta uppmätta energianvändning visar kontoret BOB i Tyskland, med en köpt energi på 19 kwh/m 2,år exklusive verksamhetsel. Lägsta uppmätta energianvändning av de svenska kontoren i studien visar Kaggen i Malmö med en specifik energianvändning på 65 kwh/m 2 år exklusive verksamhetsel. Resultaten indikerar att Tyskland ligger i framkant vad gäller utformning av lågenergikontor. Tyskland, Österrike och Schweiz verkar utnyttja gratis solenergi och geoenergi i mycket större utsträckning än vad Sverige och Norden gör, varför mängden köpt energi blir så låg. Dessutom accepteras lägre ventilationsflöden och större temperaturvariationer i dessa länder. Generellt har lågenergikontoren från Tyskland med omnejd bättre klimatskal (passivhusstandard) än de nordiska kontoren. Generellt har lågenergikontoren från Tyskland bättre klimatskal (passivhusstandard) än de svenska kontoren. Vanliga lösningar för värme och kyla i de tyska kontoren är borrhålslager i marken och distribution av varmt och kallt vatten via betongbjälklagen. Ventilationen sköts med CAV-system, alternativt naturlig/hybrid ventilation via öppningsbara fönsterluckor. Vanliga lösningar för värme och kyla i de flesta svenska lågenergikontoren är fjärrvärme och fjärrkyla med radiatorer och luftburen kyla. Den luftburna kylan kräver periodvis höga luftflöden och ventilationen sköts med VAV-system. 5

Det är tydligt i studien att olika incitament, i form av ekonomiska program eller i form av frivilliga energiklassningssystem (exempelvis Passivhus och GreenBuilding), har påverkat byggnationen och utformningen av lågenergikontor i norra Europa under början av 2000-talet. En annan slutsats från studien är att det generellt saknas uppgifter om installerade effekter och styrning av kontorsutrustning (och i vissa fall även belysning), vilket indikerar att verksamhetselen och internvärmealstringen är lågprioriterade. Verksamhetsel Ett normalvärde för verksamhetselanvändningen (belysning, servrar, PC, övriga verksamhetsknutna apparater) i ett ordinärt modernt kontor är 50 kwh/m 2 (A temp ) (Levin 2010, Blomsterberg 2011). Detta värde förutsätter kontorsutrustning och belysning enligt normal praxis under 2000-talet. För större delen av kontorsutrustningen antas automatiskt energisparläge dvs. utrustningen stängs inte av när den inte används men går ner i energisparläge. För belysning förutsätts att närvaro/frånvarostyrning eller dagsljuskompensation inte finns. Den största enskilda posten är elanvändning för belysning med ca 20 kwh/m²år (se tabell 1). Därefter kommer elanvändning för datorer med ca 15 kwh/m²år, servrar med ca 8 kwh/m²år, kopieringsmaskiner med ca 4 kwh/m²år. Detta är normalvärden. I den enskilda kontorsbyggnaden kan enskilda elanvändningsposter avvika starkt t.ex. kan elanvändningen för datorer variera mellan 1 kwh/m²år och 830 kwh/m²år beroende på byggnadens storlek, antal datorer, typ av datorer, användningen av datorerna (Persson 2006). Tabell 1. Beräknad årlig elanvändning i kwh/m²a temp, år för verksamheten i en ordinär modern kontorsbyggnad (kontorstid kl 8 17, 2250 kontorstimmar, 20 m²a temp /person), 70 % beläggning (Levin 2010). Effektbehov i genomsnitt under drift, W Elanvändning under kontorstid, kwh/m²år Elanvändning under övrig tid, kwh/m²år Belysning/m² 7,6 12,0 7,4 PC 125 9,8 6,1 Kopieringsmaskin 400 2,1 1,3 Fax 30 0,2 0,1 Skrivare 160 0,8 0,5 Fikarum/pentry 1,2 0,0 Laddare 10 0,1 0,0 Server 1,9 5,6 Summa 28,0 21,1 Elanvändningen kan minskas genom att använda eleffektivare produkter med låg elanvändning i aktivt, avstängt och standby läge, samt att se till att de endast används, när de behövs. Elanvändningen för belysning kan reduceras genom att utnyttja mer dagsljus och eleffektivare belysning med effektiv styrning (se Dagsljus- och belysningsanalys). Användningen av notebook är det mest uppenbara sättet att spara energi när det gäller och kontorsdatorer. Energianvändningen är en avgörande faktor vid notebook-konstruktion. Ett annat sätt 6

är att använda LCD-skärm (Liquid Crystal Display) istället för konventionella CRT-bildskärmar (Cathode Ray Tube, katodstrålerör). En LCD-skärm använder i genomsnitt 50 till 70 % mindre energi i aktivt läge än konventionella CRT-bildskärmar. Skrivare, skannrar, faxar och kopiatorer är tillsammans betydande elanvändare. Det bästa på ett kontor är ha en multifunktionsmaskin (MFD eller "allt i ett"). Denna använder nämligen 50 % av den energi som används av en separat skrivare + skanner + faxmaskin + kopiator. Kontinuerligt aktiva dedicerade servrar och reservkraftaggregat kan vara stora energianvändare. Energisparfunktionerna för de flesta dedicerade kontorsservrar är avaktiverade, även om de befinner sig i vila den största delen av tiden. Det uppenbara sättet att spara energi är att köpa den mest energieffektiva servern och aktivera energisparfunktionerna, men kanske kan man genom att tänka över nätverket för små och medelstora kontor helt och hållet undvika dedicerade servrar. Om effektiv kontorsutrustning och belysning används på ett effektivt sätt kan elanvändningen för verksamheten reduceras med minst 20 %, från 50 kwh/m²år till 39 kwh/m²år (se tabell 2). Inom en snar framtid borde elanvändningen kunna reduceras ytterligare 50 % till 18 kwh/m²år. Detta förutsätter att den bästa tillgängliga kontorsutrustningen och belysningen används optimalt och att utvecklingspotentialen för LED-belysning har realiserats. Tabell 2. Verksamhetsel idag, best practice och i framtiden. kwh/m²år Kommentar Idag 50 Best practice 39 Inom några år? 18 Bl.a. framtida LED belysning Dagsljus- och belysningsanalys Litteraturstudien av genomförda teoretiska beräkningar, mätningar i fullskalerum och simuleringar med validerade ljusprogram visar att en energianvändning av storleksordningen 10 kwh/m²år är en realistisk målsättning kontorsbelysning i framtida lågenergikontor med dagens bästa teknik (Dubois 2011a). Detta skulle för svenska kontor innebära en minskning av elanvändningen för belysning med åtminstone 50% jämfört med den genomsnittliga användningen idag, 21 kwh/m²år. Strategier för att minska elanvändning för belysning är: förbättringar av belysningskälla, ballast och armatur, användning av arbetsplats/allmän belysning, förbättring av skötsel/underhåll och utnyttjandegrad, minskning av belysningsstyrka och drifttid, användning av manuell avbländning och frånvarogivare. Strategier för att öka dagsljusanvändningen är: förbättrade fönster, förbättrad solavskärmning och optimal reflektans hos innerytorna. Kostnadseffektiv energibesparing kan uppnås genom att förbättra belysningssystemet t.ex. att ersätta eller planera för energieffektiva armaturer med T5-lysrör och kompaktlysrör för arbetsbelysning och en kombination av arbetsplast/allmän belysning, manuell eller automatisk dimning, automatisk frånvarostyrning. Ökad dagsljusanvändning med hjälp av dagsljuskompenserad belysning kan öka elbesparingen men till en högre kostnad. 7

Flera studier pekar på att ökad dagsljusanvändning kan uppnås i rum vid fasad som har rimlig andel fönsterarea, 30-40 % av fasadarean. En ytterligare ökning av fönsterandelen innebär ingen större besparing av el för belysning och ökar risken för övertemperaturer och bländning. Simuleringar genomförda inom detta projekt visar att med avseende på dagsljusutnyttjande så är förmodligen en optimal fönsterandel av fasadarean mellan 20 och 40 %, med 40 % mot norr, 20 % mot söder och 30 % mot öster/väster (Dubois 2011b). Reflektansen hos innerytorna har en avgörande betydelse för dagsljusutnyttjandet. Användningen av glas med låg dagsljustransmittans kräver större fönsterandel t.ex. 60 % för att uppnå samma dagsljusutnyttjade som för 20 % med hög dagsljustransmittans (Tvis=72%). Resultaten indikerar också att valet av system för belysningsstyrning har en större inverkan på elanvändningen än fönsterandel, orientering etc. Energi och inneklimatsimuleringar Dynamiska energi- och inneklimatsimuleringar gjordes i IDA ICE 4. En rektangulär referensbyggnad i sex våningar med cellkontor längs fasaden modellerades med indata enligt Svebyprogrammets Brukarindata för energiberäkningar i kontor (Levin 2010). Total energianvändning (köpt energi) för referensbyggnaden är 139 kwh/m 2,år inklusive verksamhetsel och den specifika energianvändningen för värme, varmvatten, kyla och fastighetsel är 92 kwh/m 2,år vilket precis uppfyller kravet i BBR 18 (Boverket, 2011a) på 100 kwh/m 2,år + tillägg för stora uteluftflöden (se figur 3). För referensfallet visar sig värme och verksamhetsel vara dominerande energiposter. I en parameterstudie studerades en mängd olika tekniska lösningar såsom isolermängd, lufttäthet, termisk massa, glasmängd, solskydd, ventilation, nattkyla, belysning och elektrisk utrustning för att se vilken inverkan olika parametrar har på inomhusklimatet och den totala energianvändningen. Dessutom studerades inverkan av klimat, närvarograd och byggnadsform/kontorsplanlösning i en känslighetsanalys. Slutligen kombinerades de mest effektiva parametarna till en lågenergisimulering för att se vilken besparingspotential som är möjlig med beprövad teknik. Resultatet visar att 48% kan sparas i total köpt energi jämfört med ett vanligt nybyggt kontor som precis uppfyller BBR 18 (se figur 3). Den specifika energianvändningen för värme, varmvatten, kyla och fastighetsel är 44 kwh/m 2,år för detta lågenergifall och verksamhetselen är 29 kwh/m 2,år. 48% Figur 3 Köpt energi (kwh/m 2,år) för referensfallet och lågenergifallet. 8

Slutsats Simuleringarna visar att det är möjligt att halvera energianvändningen jämfört med ett vanligt kontor genom att använda dagens beprövade teknik. Med en välplanerad utformning reduceras värmebehov samt kylbehov och genom att ha behovsstyrda installationer reduceras elbehov, värmebehov och kylbehov. Det visade sig vara svårt att med dagens teknik elminera behovet av en traditionell kylanläggning. De viktigaste parametrarna för att uppnå en mycket låg energianvändning är: Begränsad glasmängd Behovsstyrd ventilation Behovsstyrd belysning och låg installerad effekt för belysning och utrustning Större innetemperaturintervall Välisolerat och lufttätt klimatskal Dessa anvisningar är direkt tillämpbara i byggbranschen idag, och innebär troligtvis ingen större ökning av investeringskostnaden. För att uppnå nära nollenergikontor i Sverige blir nästa steg, efter att ha reducerat värme-, kyl- och elbehovet, att välja rätt energisystem och att använda förnybar energi i så stor utsträckning som möjligt. För att pressa nettoenergibehovet mot noll kan bästa tillgängliga teknik behöva installeras och med det ökar naturligtvis investeringskostnaden. Simuleringsstudien visar att det är viktigt att minska den brukarrelaterade elanvändningen (belysning och datorer) för att nå en, totalt sätt, mycket låg energianvändning. En vanlig uppfattning i byggbranschen är att minskad elanvändning ökar värmebehovet. Detta stämmer visserligen men samtidigt minskar kylbehovet och elanvändningen i än större grad och dessutom blir det mindre internlaster och ett jämnare inomhusklimat. Det är även att föredra ett större värmehov jämfört med elbehov eftersom värmebehovet lättare kan tillgodoses med förnybar energi. Eftersom verksamhetselen inte är reglerad i energikraven idag blir det en utmaning att minska den. Något incitament skulle behövas, antingen i form av nya lagkrav eller i form av ekonomiska incitament. Simuleringar och litteraturstudier visar att med dagens teknik kan verksamhetselen nästan halveras. Detta genom att välja energieffektiv kontorsutrustning och belysning. Dessutom måste säkerställas att kontorsutrustningen och belysningen endast används när den behövs. För belysningen innebär detta manuell eller automatisk dimning och automatisk frånvarostyrning. För befintliga kontorsbyggnader kan för att uppnå en låg energianvändning av ovannämnda åtgärder framförallt följande bli aktuella: Modernisering av ventilationssystemet till behovsstyrning Byte av belysning till behovsstyrd belysning med låg installerad effekt Byte av kontorsutrustning till energieffektivare utrustning Införande av större innetemperaturintervall. Fortsatt forskning Nästa steg är att öka kunskapen om hur byggbranschen kan säkerställa kostnadseffektiva nollenergikontorsbyggnader med bra inneklimat och låg energianvändning. Forsatt forskning bör ha som mål att: 9

Inventera marknadens tillgång på bästa tillgängliga och framtida teknik för verksamheten i lågenergikontor Studera hur mycket internvärmen, dvs. elanvändning för kontorsutrustning, belysning, servrar m.m., kan sänkas med bästa teknik och om detta räcker för att inte behöva kyla hela byggnaden med en traditionell kylanläggningoch därmed möjliggöra nollenergikontor, där den huvudsakliga energitillförseln är förnybar. Beräkna livscykelkostnad för ett lågenergikontor med dagens och framtidens teknik Ta fram principer och kriterier för svenska lågenergikontor med dagens och framtidens teknik Ovannämnda mål ingick i den ursprungliga ansökan för ett projekt på fyra år, men ingick i år 3-4 som inte beviljades. Referenser Blomsterberg, Å. (2011). Elanvändning kontorsutrustning. Arbetsrapport, Energi och ByggnadsDesign, Lunds Universitet. Boverket (2011). Boverkets byggregler, BBR 18. BFS 2011:6 (2011a). Dubois, M.-C., Blomsterberg, Å. (2011a). Energy saving potential and strategies for electric lighting in future North European, low energy of ce buildings: A literature review. Energy and Buildings, Inst. of Architecture and Built Environment, Div. of Energy and Building Design, Lund University, P.O. Box 118, SE-221 00 Lund, Sweden Dubois, M.-C., Flodberg, K. (2011b) Daylight utilization in perimeter office rooms at high latitudes: Investigation of key design features by computer simulations. Lighting Research and Technology European Parliament. (2010). DIRECTIVE 2010/31/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast). Official Journal of the European Union 53 (2010). Flodberg, K. (2012). Very low energy office buildings in Sweden: Simulations with low internal heat gains. Licentiate Thesis, Lund University, Lund, Sweden. (EBD-T-- 12/14) Levin, P., Blomsterberg, Å., et al (2010). Brukarindata för energiberäkningar i kontor - vägledning. SBUF - Svebyprogrammet.http://www.sveby.org/. Persson, A., (2005). Verifiering av nyckeltal Stegvis STIL. Statens Energimyndighet, ÅFprocess AB. Persson, A., (2006). Förbättrad energistatistik för lokaler Stegivs STIL Rapport för år 1 Inventering av kontor och förvaltningsbyggnader. Statens Energimyndighet. 10