Installation av värmeåtervinning i kombination med tilläggsisolering av fasad Förstudie Peter Filipsson Åsa Wahlström CIT Energy Management 2011-10-19
Sammanfattning Denna förstudie behandlar ett koncept med fasadisolering i kombination med ombyggnation från F-ventilation till FTX. En leverantör lämnade ett anbud med detta koncept i teknikupphandlingen av värmeåtervinningssystem i befintliga flerbostadshus. Resultatet från studien stämmer väl överens med leverantörens beräkningar. Byggnadens behov av köpt energi minskar med 40 %. Värmebehovet sjunker med 59 kwh/m 2 år och elbehovet ökar med 2 kwh/m 2 år. För att undvika dragrisk bör tilluftsdon placeras bakom befintliga radiatorer. Enligt beräkningarna blir inblåsningstemperaturen på bottenvåningen ca 14 C när det är -15 C utomhus. Beräkningarna visar att roterande värmeväxlare inte nödvändigtvis ger upphov till fuktproblem i ett hus med normalt luftläckage. Konceptet lämpar sig speciellt bra för byggnader som från början är dåligt isolerade och behöver en fasadrenovering. Att tänka på vid tilläggsisolering är praktiska och estetiska konsekvenser för fönster. Likaså att beakta erfarenheterna från Danmark att tryckfall i kanaler kan bli höga om de inte utformas rätt. 2(16)
Innehåll Sammanfattning... 2 1 Inledning... 4 2 Metodbeskrivning... 5 2.1 Inomhusklimat... 6 2.2 Energiprestanda... 7 3 Beräkningar... 8 4 Värmeåtervinning och potentiella fuktproblem... 13 5 Slutsatser och diskussion... 15 3(16)
1 Inledning I samband med teknikupphandlingen av värmeåtervinningssystem i befintliga flerbostadshus lämnades ett anbud på ett koncept med fasadisolering i kombination med ombyggnad från F-ventilation till FTX. De nya tilluftskanalerna avses monteras under tilläggsisoleringen vilket innebär mycket begränsade störningar för hyresgästerna. Fasadisolering var inte aktuellt för någon av byggnaderna i teknikupphandlingen men några beställare antydde att de kunde tänka sig att prova konceptet i andra byggnader under förutsättning att vissa oklarheter angående energiprestanda och tilluftstemperatur först utreds. Föreliggande studie syftar till att reda ut dessa oklarheter samt att föra en diskussion kring fuktrisker med roterande värmeväxlare. Ett snarlikt koncept har prövats i ett enfamiljshus i Danmark 1. Här bytte man dessutom fönster och dörrar och installerade solfångare, solceller och värmepump. En viktig erfarenhet från det danska projektet var att man fick höga tryckfall i ventilationssystemet och därmed hög elförbrukning i fläktar. 1 Ge huset en ny förpackning, Marie Granmar, Energi & Miljö Nr 8, 2011. 4(16)
2 Metodbeskrivning Det studerade konceptet innebär att ett värmeåtervinningsaggregat placeras på vinden i ett befintligt flerbostadshus med F-ventilation. Nya tilluftskanaler dras från värmeåtervinningsaggregatet via husets fasad ned till tilluftsdon placerade bakom befintliga radiatorer. Därefter förses fasader och tilluftskanaler med tilläggsisolering. Eftersom tilluftskanalerna dras på utsidan av den befintliga fasaden så finns risk att tilluften kyls ned mellan värmeåtervinningsaggregatet och tilluftsdonen. Denna risk finns så länge temperaturen ute är lägre än temperaturen inne och påverkar både inomhusklimat och energiprestanda. Värmeförlusten i tilluftskanalerna kan skrivas som (1) där UA = Kanalsystemets nettovärmeförlust [W/K] T = Temperaturskillnad mellan uteluft och luften i tilluftskanalerna [K] Temperaturskillnaden mellan uteluften och luften i tilluftskanalerna kan approximeras enligt (2) där Temperatur efter värmeåtervinningsaggregatet [ C] Inblåsningstemperatur [ C] Utomhustemperatur [ C] Temperaturen efter värmeåtervinningsaggregatet kan skrivas som (3) där Temperaturverkningsgrad i värmeåtervinningsaggregatet [-] Inomhustemperatur (antas ekvivalent med frånluftstemperatur)[ C] Värmen som förloras i tilluftskanalerna ger upphov till en temperatursänkning. Detta samband kan skrivas som där Ventilationsluftflöde [m 3 /s] Luftens densitet [kg/m 3 ] Luftens specifika värmekapacitet [J/kgK] (4) 5(16)
Inblåsningstemperatur [ C] Energy Eftersom det inte bara läcker värme från tilluftskanalen till utomhusluften utan även från originalfasaden till tilluftskanalen så kan man beräkna hur mycket isolering som krävs för att nettovärmeförlusten ska bli noll. Kvoten mellan temperaturdifferensen som driver värmeöverföringen från kanalen till uteluften,, och temperaturdifferensen som driver värmeöverföringen från inomhusluften till kanalen, kan med hjälp av ekvation 3 skrivas som (5) Praktiskt innebär detta att om värmeåtervinningsaggregatet har en temperaturverkningsgrad på 50 % så ska värmemotståndet mellan utomhusluften och kanalen vara lika stor som värmemotståndet mellan kanalen och inomhusluften för att helt och hållet undvika värmeförluster i tilluftskanalerna. Med en temperaturverkningsgrad på 75 % måste man istället ha tre gånger högre värmemotstånd mellan kanal och uteluft än mellan inomhusluft och kanal. Har man ännu högre värmemotstånd mellan kanalen och utomhusluften så kommer tilluften istället värmas i kanalen som då fungerar som en förlängning av värmeåtervinningsaggregatet. En väggs värmemotstånd kan fördubblas genom att antingen göra den dubbelt så tjock eller välja ett material med hälften så hög värmekonduktivitet. 2.1 Inomhusklimat Genom att anta en inomhustemperatur på 22 C, en temperaturverkningsgrad på 83 % och ett ventilationsflöde på 0,98 m 3 /s (motsvarar ett bostadshus på 2800 m 2 ) så kan inblåsningstemperaturen med hjälp av ekvation 1 4 beskrivas som en funktion av utomhustemperaturen och tilluftskanalernas nettovärmeförluster. 25 20 15 10 Utetemp = 20 C Utetemp = 10 C Utetemp = 0 C Utetemp = -10 C Utetemp = -20 C 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tilluftskanalernas värmeförlust [W/K] Figur 1 Inblåsningstemperaturen som funktion av nettovärmeförlusterna i tilluftskanalerna 6(16)
Total temperaturverkningsgrad Energy Exemplet ovan är en förenkling och resultatet gäller en medelinblåsningstemperatur eftersom man antar att all tilluft blåses in i byggnaden på samma ställe. I verkligenheten kommer lägenheter högt upp i huset få högre inblåsningstemperaturer än lägenheter långt ner i huset där det således blir mer kritiskt. 2.2 Energiprestanda Med värmeförluster i tilluftskanalerna försämras byggnadens energiprestanda. Man kan se det som att systemet får en sämre temperaturverkningsgrad än vad värmeåtervinningsaggregatet normalt presterar. Systemets temperaturverkningsgrad kan skrivas om som (6) Med ekvation 6 tillsammans med ekvation 1 4 kan temperaturverkningsgraden för hela systemet beskrivas som en funktion av tilluftkanalernas nettovärmeförluster. Notera att systemets temperaturverkningsgrad är oberoende av utomhusluftens temperatur. 100 90 80 70 60 ηvvx = 90 % ηvvx = 80 % ηvvx = 70 % 50 0 20 40 60 80 100 Tilluftskanalernas värmeförlust [W/K] Figur 2 Ventilationssystemets temperaturverkningsgrad som funktion av nettovärmeförlusterna i tilluftskanalerna 7(16)
3 Beräkningar För att beräkna konceptets energibesparingspotential har ett av husen i teknikupphandlingen undersökts och dess värmebalans simulerats. Uppgifter om verkningsgrader och fasadisolering har erhållits från leverantören. Alla energiberäkningar har utförts med simuleringsprogrammet BV 2. Klimatdata motsvarar Stockholm. Viktiga parametrar presenteras i Tabell 1. Tabell 1 Viktiga parametrar för typhuset A temp [m 2 ] 2800 Antal våningar 7 U-värde i originalfasad [W/m 2 K] 0,49 Ventilationsflöde [l/sm 2 ] 0,35 Antal lägenheter 42 Antal tilluftsdon 84 Ventilationssystemets SFP [kw/(m 3 /s)] 0,6 Tappvattenvärmebehov [kwh/m 2 år] 25 Inomhustemperatur [ C] 22 Det befintliga typhuset har ett totalt värmebehov på 137,7 kwh/m 2 år och ett behov av fastighetsel motsvarande 7,3 kwh/m 2 år. För att uppskatta tilluftskanalernas värmeförluster har följande antaganden gjorts: Separata kanaler dras till varje tilluftsdon. Den i verkligheten cirkulära kanalprofilen antas ha lika stora värmeförluster som den förenklade kanalprofilen som förenklade kanalprofilen som illustreras i Figur 3. Den förenklade kanalprofilen har måtten 63 x 47 mm. Värmeflödet från den förenklade kanalprofilens kortsidor antas vara lika stort som värmeflödet från den befintliga fasaden till kanalen. Detta innebär att värmen som flödar från kanalens yttre långsida är ekvivalent med kanalens nettovärmeförlust. Notera att rimligheten i det sistnämnda antagandet är beroende av tilläggsisoleringens tjocklek och avståndet mellan tilluftskanalerna. 8(16)
Befintlig fasad Tilläggsisolering Puts Verklig kanalprofil d iso b Förenklad kanalprofil Inomhus Utomhus Ny fasad Figur 3 Fasad sedd uppifrån Värmeåtervinningsaggregatet antas ha en temperaturverkningsgrad på 83 %. Det nya ventilationssystemet antas ha ett SFP motsvarande 1,2 kw/(m 3 /s). Ökningen motsvarar ett ökat tryckfall på 435 Pa och en fläktverkningsgrad på 72 %. Tilluftskanalernas värmeförluster beräknas enligt Fasadens U-värde beräknas enligt Total area av kanalsystemets yttersida (53,7 m2) Putsens tjocklek (20 mm) Putsens värmekonduktivitet (0,22 W mk) Tilläggsisoleringens tjocklek [mm] Tilläggsisoleringens värmekonduktivitet (0,036 W mk) Tilluftskanalens djup (47 mm) 9(16)
Fasadens U-värde [W/m 2 K]] Tilluftskanalernas värmeförlust [W/K] Energy Ekvation 7 och 8 visualiseras i Figur 4 respektive Figur 5. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 70 80 90 100 110 120 130 d iso [mm] Figur 4 Tilluftskanalernas värmeförlust som funktion av tilläggsisoleringens tjocklek 0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 70 80 90 100 110 120 130 d iso [mm] Figur 5 Fasadens U-värde som funktion av tilläggsisoleringens tjocklek Med hjälp av ekvation 7 och 8 kan byggnadens energianvändning beräknas som en funktion av tilläggsisoleringens tjocklek. Resultatet presenteras i Figur 6. 10(16)
Energiprestanda [kwh/m 2 år] Energiprestanda [kwh/m 2 år] Energy 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 70 80 90 100 110 120 130 d iso [mm] Värme Fastighetsel Figur 6 Byggnadens energianvändning som funktion av tilläggsisoleringens tjocklek Energianvändningen i Figur 6 ska jämföras med byggnadens ursprungliga energianvändning som är 137,7 kwh/m 2 år värme 7,3 kwh/m 2 år fastighetsel. I Figur 7 presenteras energibesparingen vid var och en av åtgärderna i konceptet. I fallet med enbart värmeåtervinning antas att man isolerar kanalen lika mycket som den isoleras när tilläggsisoleringens tjocklek är 100 mm. Detta jämförs även med ett fall med konventionell kanaldragning, här antas att det inte finns några värmeförluster i tilluftskanalerna. 160 140 120 100 80 60 40 20 Värme Fastighetsel 0 Före åtgärder Med tilläggsisolering Med VÅV Med Med tilläggsisolering tilläggsisolering och VÅV och VÅV (konventionell kanaldragning) Figur 7 Energianvändning före och efter energieffektiviseringsåtgärder (100 mm tilläggsisolering) 11(16)
Inbllåsningtemperatur [ C] Energy Inblåsningstemperaturen är mest kritisk när det är som kallast ute och i lägenheterna på bottenplan. Med 100 mm tilläggsisolering blir UA-värdet för den längsta tilluftskanalen 0,82 W/K. Luftflödet i varje kanal är 11,7 l/s. Med dessa indata fås med hjälp av ekvation 1 4 att inblåsningstemperaturen i den mest kritiska punkten är 14,0 C när det är -15 C utomhus. I Figur 8 visas hur inblåsningstemperaturen i tilluftsdonen på bottenplan och på översta våningen beror av tilläggsisoleringens tjocklek då temperaturen utomhus är -15 C. 16 15 14 13 12 Översta våningen Bottenplan 11 70 80 90 100 110 120 130 d iso [mm] Figur 8 Inblåsningstemperaturen i lägenheterna på bottenplan och på översta våningen i sjuvåningshuset då utomhustemperaturen är -15 C som en funktion av tilläggsisoleringens tjocklek 12(16)
4 Värmeåtervinning och potentiella fuktproblem Idag finns motströms plattvärmeväxlare med specificerad temperaturverkningsgrad på 90 %. Detta innebär att temperaturverkningsgrad inte bör vara en avgörande parameter när man väljer mellan roterande och plattvärmeväxlare. Desto viktigare är att plattvärmeväxlare kräver avfrostning och att roterande värmeväxlare återvinner fukt från frånluften. Angående luftfuktighet inomhus står i socialstyrelsens författningssamling (SOSFS 1999:21) följande I 26 kap. 22 miljöbalken finns bestämmelser om förutsättningarna för tillsynsmyndigheten att ställa krav på undersökningar av byggnader som upplåtits för bostäder eller allmänna ändamål. Indikationer som kan föranleda ett sådant krav är t.ex. [ ] om fukttillskottet inomhus, under vinterförhållanden, regelmässigt överstiger 3 g/m 3 (2,5 g/kg). om luftfuktighetens medelvärde överstiger 7 g vatten/kg torr luft under en längre period under eldningssäsongen, vilket motsvarar ca 45 % relativ luftfuktighet vid 21 C. Ekvationerna som används i detta avsnitt kommer från rapporten Fuktöverföring vid regenerativ värmeväxling skriven av Lars Jensen vid Lunds tekniska högskola. En värmeväxlares fuktverkningsgrad definieras som (7) där Tilluftens fukthalt [g/kg] Uteluftens fukthalt [g/kg] Inomhusluftens fukthalt (antas ekvivalent med frånluftens fukthalt) [g/kg] Om man definierar fukttillskottet från människor m.m. inomhus som (8) Så kan frånluftens fukthalt skrivas som (9) Ekvation 8 gäller under förutsättning att byggnadens klimatskal är helt tätt. För ett mer verklighetstroget resultat bör man ta hänsyn till infiltration, exfiltration och vädring. Detta kan göras genom att istället beräkna fukthalten enligt 13(16)
Luftfuktighet inomhus [g/kg] Energy (10) där Extra luftflöde relativt det som passerar värmeväxlaren En person avger drygt 100 g/h vattenånga vid normal inomhusverksamhet. Det innebär ett fukttillskott på 2 g/kg om man antar ett ventilationsflöde på 0,35 l/sm 2 och 20 m 2 /person. Om man dessutom antar en fuktverkningsgrad i värmeväxlaren motsvarande 46 % och ett ofrivilligt luftläckage på 0,2 oms/h så blir förhållandet mellan luftfuktighet inomhus och utomhus som i Figur 9. Luftfuktighet över den streckade linjen kan enligt socialstyrelsen föranleda krav på undersökning. Notera att det gäller under vinterförhållanden. 16 14 12 10 8 6 4 Byggnad med helt tätt klimatskal Byggnad med luftläckage 0,2 oms/h 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Luftfuktighet utomhus [g/kg] Figur 9 Luftfuktighet inomhus som funktion av luftfuktighet utomhus Detta innebär för ett helt tätt hus att kravet på maximalt fukttillskott överskrids samt att kravet på maximal fukthalt inomhus överskrids då luftfuktigheten utomhus överskrider 3,3 g/kg (motsvarar 100 % relativ luftfuktighet vid -1 C eller 50 % relativ luftfuktighet vid 8 C). I ett hus med luftläckaget 0,2 oms/h överskrids inte kravet på maximalt fukttillskott samt att kravet på maximal fukthalt inomhus överskrids då luftfuktigheten utomhus överskrider 4,9 g/kg (motsvarar 100 % relativ luftfuktighet vid 4 C eller 50 % relativ luftfuktighet vid 14 C). 14(16)
5 Slutsatser och diskussion Förenklingen att värmeflödet från originalfasaden till kanalen är lika stort som värmeflödet från kanalprofilens kortsidor till utomhusluften gör att effekten av tilläggsisoleringens tjocklek är något underdriven. Konceptet lämpar sig speciellt bra för dåligt isolerade hus, dels ger tilläggsisolering en större besparing och dels värms tilluften i högre grad av värme som läcker ur originalfasaden. I typbyggnaden, som är ett sju våningar högt punkthus i Stockholm, sänks behovet av köpt energi med 40 % då tjockleken på tilläggsisoleringen är 100 mm. Leverantörens beräkningar stämmer väl överrens med resultatet i denna studie. Jämfört med om man drar kanalerna inne i huset kräver konceptet knappt 2 kwh/m 2 år mer värme, vid en tilläggsisoleringstjocklek på 100 mm. Detta skall vägas mot fördelarna med att dra kanalerna på originalfasadens utsida. Med tanke på de låga inblåsningstemperaturer, cirka 14 C, som uppstår på bottenplan under kalla dagar så bör tilluftsdon väljas omsorgsfullt och placeras bakom befintliga radiatorer för att garantera ett acceptabelt inomhusklimat. De av Socialstyrelsen definierade indikationerna på undersökningskrav kan vara ett problem om byggnaden är väldigt tät och inte vädras. I ett befintligt flerbostadshus med normalt luftläckage kan det bli fråga om undersökningskrav om luftfuktigheten utomhus överskrider 4,9 g/kg under en längre period under eldningssäsongen, vilket den i regel inte gör. Man bör dock ha i åtanke att tilläggsisolering ofta bidrar till ökad täthet. I beräkningarna antogs att det ökade tryckfallet i systemet motsvarar 435 Pa. Detta bedöms vara rimligt och beräkningarna visar inte att fläktenergin ska bli onödigt hög. I det danska konceptet erhölls dock överraskande höga tryckfall. Därav bör tilluftskanalerna placeras omsorgsfullt för att undvika onödiga krökar. Varken tilläggsisolering eller ombyggnation från F-ventilation till FTX har antagits påverka det ofrivilliga luftläckaget i byggnaden. Detta innebär att energibesparingen kan vara något underskattad. När man tilläggsisolerar ett befintligt flerbostadshus bör man ha i åtanke eventuella problem som kan uppstå p.g.a. att fönster måste flyttas ut, såväl estetiska som praktiska. Ett erfarenhetsexempel från Familjebostäder visas i figur 10. I detta fall gick det bara att flytta ut fönstren 8 cm om man samtidigt skulle använda de gamla infästningarna. Därmed blir fönstret att sitta relativt långt in i fasaden beroende av hur tjock tilläggsisolering som görs. Detta kan medföra estetiska hinder men kan också vara fördelaktigt för solavskärmning. 15(16)
Figur 10 Estetiskt utseende på fönster vid tilläggsisolering av fasad. 16(16)