Bertil Jonsson Beräkning av förekomst av utvändig kondens på energieffektiva fönster SP AR 1999:4 Byggnadsfysik Borås 1999
2 Innehållsförteckning Innehållsförteckning 2 Sammanfattning 3 Inledning 4 1 Utvändig kondens 5 2 Beräkningar av utvändig kondens 6 3 Förekomst av utvändig kondens 7 3.1 Årsvariation 7 3.2 Månadsvariation 9 4 Fördelning under dygnet 1 5 Årssumma 11 6 Konklusioner 14 Bilagor: Modell för värmebalansen vid yttre glaset 15 Vinkelkoefficient avskärmningsfaktor för himmel 16
3 Sammanfattning Den utvändiga kondensen uppträder då yttemperaturen för det utvändiga glaset sjunker under lufttemperatur och under luftens daggpunkt. Detta inträffar under klara nätter då utstrålning från fönstret mot himlen är stor, på grund av himmelvalvets låga temperatur. Kondens inträffar då glasets temperatur är lägre än luftens daggpunkt. Generellt är omfattningen av kondensen beroende av omgivning, byggnad och klimat. Beräkningar av kondensförekomst har skett med klimatdata för Stockholm främst för året 199 men även för åren 1988, 1989, 1991 och 1992. För jämförelse mellan åren 1988-1992 har antalet kondensmar (totalt och dagtid) beräknats för ett specifikt fall för U- värde och avskärmningsfaktor mot himmel. Fördelning av kondensmarna över årets månader har illustrerats för tre olika U-värden. Fördelningen av antalet kondensmar under dygnets 24 mar har beräknats för några utvalda kombinationer på U-värde och avskärmningsfaktor. För år 199 Stockholm har beräkningar av antalet kondensmar (totalt och dagtid) utförts med varierande U- värde (,7-1,4 W/(m²K)) och avskärmningsfaktor (,25-,5). Beräkningarna visar bland annat att; antalet kondensfall och fördelningen varierar starkt mellan olika år kondensen uppstår främst under dygnets första mar och minskar snabbt på morgon/förmiddag antalet kondensfall ökar med sjunkande U-värde. Det finns inget generellt minimivärde då kondensen helt upphör de flesta kondensfallen inträffar under hösten ju mer himmel som fönstret ser desto större antal kondensfall
4 Inledning Värmeförlusterna genom fönster utgör en betydande del av en byggnads totala uppvärmningsenergi, t ex för en villa är andelen ca 15-2. Då energibesparingspotentialen således är betydande, är det angeläget att befrämja en utveckling av fönster med bättre isolerande egenskaper. Olika funktionskrav angående värmeisolering, täthet, hållfasthet, ljud etc har ställts upp så att bra energieffektiva fönster (det vill säga fönster med mycket goda värmeisolerande egenskaper) kan utvecklas. Produktutveckling av bättre värmeisolerande glas och glaspaket har varit intensiv. Genom att utnyttja allt bättre lågemissionsbeläggningar tillsammans med någon typ av ädelgas så har glasdelens värmeisolerande egenskaper förbättrats markant under de senaste åren. Värden för värmegenomgångskoefficienten (U-värdet) har för glasdelen förändrats från ca 3 W/(m²K) ( vanligt 2-glas) till ca 1 W/(m²K) eller lägre under en 25-årsperiod. Emellertid kan låga U-värden på glasdelen medföra kondens på den utvändiga glasytan under vissa speciella klimatförhållanden. Den utvändiga kondensen, som är ett bevis på att fönstret har låga U-värden (bra värmeisoleringsförmåga), medför inga olägenheter för fönstrets beständighet då fönstret är skyddat eller behandlat för att motstå regn. Olägenheter uppstår om hela eller stora delar av glasytan är täckt med utvändig kondens, vilket försämrar glasets genomsynlighet. Om kondens uppstår på en glasyta medför detta att ljuset genom kondensskiktet kommer att spridas i olika riktningar (diffuserat ljus) vilket gör att bildintrycket försvinner. Graden av olägenhet är beroende av omfattningen av kondens, när den inträffar samt de boendes toleransnivå för kondensen.
5 1 Utvändig kondens Den utvändiga kondensen uppträder då yttemperaturen för det utvändiga glaset sjunker under lufttemperatur och under luftens daggpunkt. Detta inträffar under klara nätter då utstrålningen från fönstret mot himmelen är stor, på grund av himmelvalvets låga temperatur. Utstrålningen kan vara så stor att glaset blir avkylt till lägre temperatur än lufttemperaturen. För att kondens skall inträffa krävs dessutom att luftens fuktighet (relativa fuktighet) skall vara så hög att glasets temperatur är lägre än luftens daggpunkt. Då det är den klara natthimmelen som medför den stora utstrålningen så kommer huvuddelen av kondensfallen att inträffa under den mörka delen av dygnet. Hur snabbt kondensen sedan försvinner under dagen är beroende av klimatförhållanden, t ex temperatur, solstrålning, vindhastighet. Generellt kan följande faktorer medföra att omfattningen av utvändig kondens blir större omgivning - avskärmning mot himmel genom bebyggelse och vegetation är liten byggnad klimat - avskärmning mot himmel genom taksprång, inbyggnad eller dylikt är liten - lågt U-värde för glasdelen på fönstret - fönsterlutning, utstrålning ökar om fönstret alltmer vänds mot himmelen (takfönster) - klar himmel - hög relativ fuktighet för uteluft - låg vindhastighet - liten temperaturskillnad mellan ute- och inneluft För att utvändig kondens över huvud taget skall uppstå krävs en viss klimattyp; klar himmel med tillräckligt hög relativ fuktighet. Förekomsten ökar för vindskyddade lägen eller för låga vindhastigheter. Den ordinarie värmeförlusten genom fönstret värmer upp det yttre glaset, därigenom blir förekomsten större under den varma årstiden. Graden av avskärmning är av stor betydelse för omfattningen av utvändig kondens. Speciellt takfönster ser en stor del av himmelen och har därför större förekomst av kondens än fönster i vägg. Då det är en samvariation mellan omgivning, byggnad och klimat som styr förekomsten av utvändig kondens, är det ej möjligt att i generella termer precisera antalet kondensfall. Att sätta upp minimigränser för U-värdet är heller ingen garanti för att helt eliminera kondensen. Det enda man kan säga är, väljs ett högre U-värde minskar förekomsten av utvändig kondens. Denna minskning kan bli liten eller marginell om fönstret har en stor avskärmning mot himmel och/eller ett gynnsamt klimat med generellt låg nivå för kondensförekomst.
6 2 Beräkningar av utvändig kondens Beräkningarna har genomförts enligt en modell som är beskriven i bilaga 1 och mer ingående i SP Rapport 1995:1. Då avskärmningen mot himmelen är av väsentlig betydelse, så har definitionen av denna egenskap förklarats mer ingående i bilaga 2. Såsom indata för beräkningarna har klimatdata från SMHI utnyttjats. Därvid har värden för utetemperatur, relativ fuktighet, långvågig strålning och vindhastighet för varje me erhållits. Vid beräkningarna har värden för Stockholm under året 199 främst utnyttjats men även åren 1988, 1989, 1991 och 1992 har kontrollerats. Då olägenheter främst uppstår vid kondens på glaset, har beräkningarna genomförts för glasdelen, redovisade U-värden avser sålunda denna del. Beräkningarna har genomförts för dels totala antalet kondensmar, dels antalet kondensmar under dagtid. Såsom dagtid har valts ett fast tidsintervall (kl 7.-19.), som delvis speglar både den normala arbetstiden och den ljusa dygnsdelen. Detta intervall har använts genomgående under året, ingen ändring har skett för sommartid.
7 3 Förekomst av utvändig kondens 3.1 Årsvariation För denna typ av beräkningar är det nödvändigt att välja ett existerande år. Vid en medelvärdesbildning av flera år skapas ett falskt normalår, med borttagna extremvärden och utdämpande klimatsvängningar, beräkning av förekomst av kondens kommer därmed att bli felaktig. Då klimatet varierar starkt från år till år kommer även beräkningsresultat att variera mellan åren. Jämförelser inom ett år (med samma klimatdata) för olika förhållanden på t ex U-värde eller avskärmningsfaktor mot himmel ger emellertid korrekta relativa skillnader. För att kontrollera om de valda klimatvärdena för Stockholm 1988-1992 uppvisar några extrema förhållanden, gjordes först en jämförande beräkning för dessa år. Av dessa år utvaldes 199 såsom relativt typiskt för Stockholmsklimatet. I figur 1 och 2 redovisas det totala antalet kondensmar samt antalet kondensmar under dagtid (kl 7.-19.) för åren 1988-1992. För att förenkla jämförelse har ett specifikt fall med U glas = 1, W/(m²K) och F =,5 redovisats nedan. Antalet kondensmar blir; Tabell 1 Antalet kondensmar under 1988-1992 År Totalt Kondensmar Dagtid 1988 43 41 1989 45 11 199 435 63 1991 4 39 1992 242 26 Det framgår av beräkningarna att åren 1989 och 1992 avviker markant från de övriga gällande antal kondensmar och dess fördelning. Utav de tre återstående åren har året med flest kondensmar valts ut, såsom representant för ett relativt svårt år ur kondenssynpunkt, men ej något extremår.
8 6 Antal kondensmar (dag) 5 4 3 2 U=1, F=,5 1988 1989 199 1991 1992 1 Figur 1 jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Månad Totala antalet kondensmar för olika år Antal kondensmar )totalt) 12 1 8 6 4 2 1988 1989 199 1991 1992 U=1, F=,5 Figur 2 jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Månad Antal kondensmar för olika år
9 3.2 Månadsvariation Fördelningen av kondensmarna över månaderna för år 199 Stockholm har illustrerats för tre olika U-värden,8, 1, och 1,3 W/(m²K) och ingen avskärmning mot himmel (F =,5) i figur 3 och 4. I figurerna kan studeras hur kondensfallen ökar vid val av ett lägre U glas -värde, t ex vid ändring av U glas -värdet från 1,3 till 1, är ökningen av totala antalet kondensmar i april 34 st (55-21). För de studerade åren inträffar oftast de flesta kondensfallen under höstmånaderna augusti, september, oktober och till en del under april, juli. Men variationerna mellan åren är emellertid stora, så en viss försiktighet av alltför generella slutsatser måste tas. Av figurerna framgår att antalet kondensmar ökar olika vid ändring av U glas -värdet, månaden augusti ökar bara lite medan oktober får en kraftig ökning. Antalet kondensmar under dagtid är flest under höstmånaderna september-november och med mycket få fall under maj, juni, juli. Antalet kondensmar (totalt) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 F=,5 U=,8 U=1 U=1,3 Figur 3 jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Månad Totala antalet kondensmar fördelade per månad 1 9 F=,5 Antalet kondensmar (dag) 8 7 6 5 4 3 2 1 U=,8 U=1 U=1,3 jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Månad Figur 4 Antalet kondensmar (dagtid) fördelade per månad
1 4 Fördelning under dygnet Antalet kondensmar för årets alla månader har fördelats på dygnets 24 mar, i figur 5 har U glas -värdet varierats (F =,5) och i figur 6 har avskärmningen mot himmelen varierats (U glas = 1,). Av båda figurerna framgår det stora antalet fall under dygnets första mar, för att avklinga snabbt efter cirka kl 6.. Vid ändring av U glas -värdet eller F-värdet sker den huvudsakliga ökningen för mar utanför dagtid (kl 7.-19.). För dagtid är det speciellt kl 7. och 8. som får en tydlig ökning, mitt på dagen är antalet fall obetydligt. Antal kondensmar (totalt) 7 6 5 4 3 2 1 Figur 5 F=,5 U=,8 U=1 U=1,3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 Timme Totala antalet kondensmar fördelade på dygnets mar 6 Antalet kondensmar (totalt) 5 4 3 2 1 U=1, F=,5 F=,45 F=,4 F=,35 Figur 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1111213141516171819221222324 Timme Totala antalet kondensmar fördelade på dygnets mar
11 5 Årssumma Vid beräkning av antalet kondensmar har U glas -värdet varierats mellan,7 och 1,4 W/(m²K) och avskärmningsfaktorn mot himmelen (F) mellan,25 och,5. Dessa värden innebär att himmelen är till hälften avskärmad och helt oskärmad, för lägre F-värden har beräkningar inte genomförts på grund av få kondensfall. I figur 7 kan studeras den totala bilden för varierande U glas -värde och F-värde. Där framgår tydligt den generella tendensen att lägre U glas -värde eller högre F-värde medför fler kondensmar. Även vid U glas -värden på 1,4 W/(m²K) kan medföra kondensfall. I figur 8 kan antalet kondensfall under dagtid studeras. Samma principiella bild som för totala antalet kan iakttas men på en avsevärt lägre nivå. För att lättare kunna interpolera mellan de olika fallen har figur 9 inkluderats, figuren innehåller annars samma information som figur 7. I tabell 2-3 finns fallen redovisade. Dessutom redovisas hur stor andel som totala antalet kondensmar utgör av årets mar samt andelen av kondensmar under dagtid av årets dagmar (kl 7.-19.). Såsom tidigare har nämnts påverkas omfattningen även av vindhastigheten, det vill säga om fönstret ligger exponerat eller i lä. Beräkningar för U = 1, och F =,5 visade att fönster i lä erhöll cirka 15 fler kondensmar både totalt och dagtid. Antal kondensmar (totalt) 7 6 5 4 3 2 1 F=,25 F=,3 F=,35 F=,4 F=,45 F=,5,7,8,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 U-värde, W/(m²K) Figur 7 Totala antalet kondensmar såsom funktion av U-värde och avskärmningsfaktor
12 14 12 Antal kondensmar (dag) 1 8 6 4 F=,25 F=,3 F=,35 F=,4 F=,45 F=,5 2,7,8,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 U-värde, W/(m²K) Figur 8 Antalet kondensmar (dagtid) såsom funktion av U-värde och avskärmningsfaktor 7 Antal mar 6 5 4 3 F=,25 F=,3 F=,35 F=,4 F=,45 F=,5 2 1,7,8,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 U-värde, W/(m²K) Figur 9 Totala antalet kondensmar såsom funktion av U-värde och avskärmningsfaktor
13 Tabell 2 Totala antalet kondensmar samt deras andel () av totala antalet mar per år U-värde (glas), W/(m²K),7,8,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 F =,25 22,3 11,1 6,1 3, 2, 1, 1, 1, F =,3 11 1,2 48,5 22,3 13,1 6,1 3, 2, 1, F =,35 264 3, 172 2, 95 1,1 46,5 26,3 16,2 9,1 4, F =,4 49 4,7 323 3,7 255 2,9 165 1,9 13 1,2 53,6 28,3 19,2 F =,45 529 6, 469 5,4 376 4,3 35 3,5 231 2,6 163 1,9 19 1,2 67,8 F =,5 621 7,1 569 6,5 54 5,8 435 5, 361 4,1 296 3,4 218 2,5 164 1,9 Tabell 3 Antalet kondensmar (dagtid) samt deras andel (5) av totala antalet dagmar per år Avskärmningsfaktor Avskärmningsfaktor U-värde (glas), W/(m²K),7,8,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 F =,25 2, 2, 2,,,,,, F =,3 11,2 6,1 2, 2, 2,,,, F =,35 3,6 17,4 9,2 5,1 2, 2, 2,, F =,4 64 1,3 4,8 27,6 15,3 7,1 3,1 2, 2, F =,45 93 2, 77 1,6 47 1, 31,7 21,4 15,3 8,2 2, F =,5 117 2,5 98 2,1 8 1,7 63 1,3 42,9 28,6 2,4 15,3
14 6 Konklusioner Antalet kondensfall och deras fördelning varierar starkt mellan olika år, det är svårt att peka ut ett normalår. De flesta kondensfallen inträffar under höstmånaderna augusti, september, oktober. Mycket få fall av kondens under dagtid uppstår under sommaren. Kondensen uppstår främst under dygnets första mar och minskar snabbt efter cirka kl 6.. Fönster i skyddade lägen (med låga vindhastigheter) kan få fler kondensfall. Förekomst av utvändig kondens styrs av en samvariation mellan omgivning, byggnad och klimat. Antalet kondensfall kommer att kontinuerligt ändras vid varierande värden på glasets värmeisolering eller fönstrets avskärmning mot himmel. Den allmänna tendensen är att antalet kondensfall ökar med lägre U-värden men kondensen upphör inte vid ett givet gränsvärde. Generella minimigränser för U-värde är därför svåra att ange. För att helt eliminera kondens måste relativt höga U-värden väljas. Ju mer himmel som fönstren ser, desto större kommer den långvågiga utstrålningen mot himmelen att vara. Därmed kommer antalet kondensfall att öka vid ökande värden på avskärmningsfaktorn (F). Takfönster får fler kondensfall än fönster i vägg.
15 Bilaga 1 Modell för värmebalansen vid yttre glaset Med hjälp av klimatdata såsom utelufttemperatur, vindhastighet och långvågig strålning kan, för en känd fönsterkonstruktion i en byggnad, yttemperaturen för det yttre glaset beräknas. Det krävs då kännedom om fönstrets U-värde (värmegenomgångskoefficient), inneluftens temperatur samt avskärmningsfaktor för himmel (se bilaga 2). Om den relativa fuktigheten är känd kan daggpunkten beräknas. Genom att kontrollera om yttemperaturen är mindre än daggpunkten kan en bedömning av förekomsten av utvändig kondens göras. Den utvändiga yttemperaturen bestäms genom att värmebalansen vid det yttre glaset beskrivs. I SP Rapport 1995:1 har mer ingående den teoretiska bakgrunden beskrivits. Vid stationärt värmeflöde är värmeflödet genom glaset till ytterrutan lika stort som värmeflödet genom konvektion och strålning från ytterglas till omgivande luft eller ytor. Om enbart strålningsutbytet mellan fönster och himmel behandlas (övriga strålningsbidrag antas ha ett försumbart bidrag), så kan yttemperaturen för det yttre glaset beräknas genom följande uttryck; ϑ se = U 3 glas 7 Tse + Ta ϑi + 194, 1 F ϑa + glas 2 U 3 glas 7 Tse + Ta + 194, 1 F + 1, 4 U glas 2 ( 1, 4 U ) T + T 2 se e ( 1 F ) ϑ + ( A + Bv) T + T 2 se e ( 1 F ) + ( A + Bv) 3 3 e ϑ e där ϑ se = yttre glasets temperatur, C ϑ i = lufttemperatur inne, C ϑ e, T e = lufttemperatur ute, C respektive K ϑ a, T a = temperatur för himmel, C respektive K U glas = U-värde för glasdelen, W/(m²K) F = avskärmningsfaktor för himmel v = vindhastighet, m/s A, B = konstanter (föreslagna uttryck enligt ISO/DIS 1599 har använts) Partialtryckskurvan, som beskriver hur vattenångans mättnadstryck förändras med temperaturen anges i DIN 418. Därigenom kan daggpunkten för ytterglaset beräknas enligt -2 < ϑ se < C ϑ dagg = RH 1/12,3 (148,6 + ϑ se ) 148,6 < ϑ se < 3 C ϑ dagg = RH 1/8,2 (19,8 + ϑ se ) 19,8 där ϑ dagg = daggpunkt för det yttre glaset, C ϑ e = yttemperatur för det yttre glaset, C RH = relativ fuktighet (Pa/Pa)
16 Bilaga 2 Vinkelkoefficient avskärmningsfaktor för himmel Vinkelkoefficienten (F) vid strålning används för att beräkna strålningen mellan två ytor. För ett fönster kan de motstrålande ytorna utgöras av himmel, mark, omkringliggande bebyggelse, vegetation eller avskärmning från den egna byggnaden såsom takfot, fönsterfals eller dylikt. Fönster ser dessa omkringliggande ytor. Vinkelkoefficient är ett sätt att tala om hur stor andel en yta utgörs av den totala omgivande ytan. För ett helt oskärmat horisontellt fönster (takfönster) utgörs himmelen av den enda motstrålande ytan, därigenom blir vinkelfaktorn F = 1. Ett oskärmat fönster i en vägg med fri horisont delar upp den motstrålande ytan i två halvor, himmel och mark. Vinkelfaktorn för himmel eller mark blir F =,5. Skyms himmelen sedan av bebyggelse eller vegetation blir faktorn lägre. Är halva himmelen skymd kommer vinkelfaktorn att reduceras till,25. Av de omgivande ytorna sett från fönstret utgörs himmelen av en fjärdedel (se figur). Himmel F=,25 F=,5 Mark Figur Vinkelkoefficient för strålning mellan fönster och omgivning F = 1 halvsfären F =,5 halv halvsfär (kvartssfär) F =,25 halva himmelen avskärmad (1/8-dels sfär) I denna rapport utnyttjas vinkelkoefficienten för att ange hur stor andel av himmelen som är avskärmad för strålning mot fönstret. För att bättre illustrera detta samband har i denna rapport begreppet avskärmningsfaktor för himmel använts istället för vinkelkoefficient.