Hvor mye luft trenger vi?

Transkript

1 Alternativ inneklimastyring i bygg med forenklet klimatisering Hvor mye luft trenger vi? I denne artikkelen ses det med kritisk blikk på krav til luftmengder slik det praktiseres i Norge. Bør vi slutte å sette likhetstegn mellom store luftmengder og godt inneklima? Ja, mener forfatterne av denne artikkelen. Tekst: TOR HELGE DOKKA (sjefsrådgiver Skanska Teknikk) og NIELS LASSEN (seniorrådgiver Skanska Teknikk) ARKITEKTER MED AVERSJON: Kontorbygget 2226 i Lustenau i Østerrike tegnet av Baumschlager-Eberle har fått mye omtale internasjonalt a, og har også ført til debatt nasjonalt b. Særlig blant arkitekter har bygget høstet stor interesse som et eksempel på at det finnes alternative løsninger til teknologibruken i norske nybygg. Bygget har ikke mekanisk ventilasjonssystem, oppvarmings- eller kjøleanlegg og klimatiseringen skjer utelukkende med soltilskudd og internlaster, samt streng behovsstyring av vinduslufting (automatiske luker) ut fra innetemperatur og CO 2 -nivå. Mange arkitekter har tilnærmet aversjon for kanaler, rør, ventiler og radiatorer, og et bygg nesten uten installasjoner er en drøm for mange. Også flere utbyggere synes det er besnærende med et bygg med minimalt med teknikk. Men vi skal la den arkitektoniske diskusjonen ligge i denne sammenheng. Når det gjelder inneklima- og energi er det interessant å se hvordan bygget i Østerrike klimatiseres. For å kunne holde akseptabel 1 innetemperatur i vinterhalvåret uten oppvarmingsanlegg er det nødvending å redusere luftmengdene betydelig i de kaldeste månedene. Stor takhøyde og stratifisering av forurensning fra personer er trolig medvirkende til at luftkvalitet og inneklima rapporteres å være god f, på tross av at tilførte luftmengder er under det internasjonale standarder d anbefaler og langt under luftmengdene som benyttes i nye norske kontorbygg e,f. 3 Norsk VVS /216 Spørsmålet er om de lave luftmengdene brukt i 2226-bygget med tilsynelatende gode resultater er et særtilfelle 2, eller om en slik klimatiseringsstrategi har mer generell forskningsmessig ryggdekning? De som ønsker mer detaljert informasjon om kontorbygget 2226 henvises til referanse f. Fra 18 til i dag Allerede på 18-tallet ble CO 2 foreslått av den tyske hygienikeren Max Von Pettenkoffer som indikator på tilstrekkelig ventilasjon. CO 2 har stått seg til i dag som indikator på opplevd luftkvalitet, og både amerikanske og danske studier på 8-tallet påviste en sammenheng mellom CO 2 -nivå forårsaket av personer og antall misfornøyde med opplevd luftkvalitet, som gjengitt i figur 2. Antar man full omrøring i et lokale og et normalt aktivitetsnivå i kontorer (1 met) kan man regne ut en sammenheng mellom CO 2 - nivå og luftmengde per person, som angitt i figur 3. Disse sammenhengene ligger også til grunn for europeiske og amerikanske inneklimastandarder c,h. En av svakhetene med å bruke luftmengder per person som en direkte indikator på opplevd luftkvalitet er at den ikke tar hensyn til ventilasjonseffektivitet og eventuell stratifisering av forurensning 3. Metoden tar heller ikke hensyn til entalpi-nivået i luften, dvs. temperatur og relativ fuktighet (RF), som vi skal se i neste avsnitt er dette av stor betydning. Notehenvisninger 1) Navnet 2226 refererer til målsetningen om at innetemperaturen skal holdes mellom C gjennom hele året. 2) Kontorbygget 2226 er primært brukt av arkitektkontoret selv (Baumschlager Eberle), men det er også et annet ingeniørfirma i bygget, og 1. etasje leies ut til kunstutstillinger. 3) I EN1 c er det åpning for å ta hensyn til ventilasjonseffektivitet, men eksempelvis TEK1 d og Arbeidstilsynets veiledning 444 e tar ikke hensyn til det. 4) Typiske luftmengder i driftstiden i norske kontorbygg ligger på 6 12 m 3 /hm 2. ) SBS (Sick Building Syndrom) er en fellesbetegnelse for spesifikke og uspesifikke klager/symptomer på dårlig inneklima i bygg, f.eks. øyeirritasjon, slimhinneirritasjon, hosting, følelse av tung/tørr luft m.m., se også wiki/sick_building_syndrome. 6) I praksis burde man styre etter CO 2 -nivå i pustesonen som beregningsmessig er mulig å estimere i rom med fortrengnings- og/eller naturlig ventilasjon. Men ved praktisk plassering av CO 2 -sensorer må de plasseres et sted som er representativt for luften som personene i rommet puster inn. Ofte plasseres disse på en innervegg i 1 1,2 meter høyde over gulvet. 7) Avhengig av stratifisering og variabiliteten i personbelastning (intermittens) vil man kunne komme over ppm i CO 2 -nivå hvis man skal holde RF over %. I slike «kompromiss»-tilfeller bør trolig RF-styring gå foran CO 2 -styring. 8) I følge såkalt adaptiv termisk komfort også beskrevet i EN1 c følger optimal innetemperatur utetemperaturen. Ved 1 C ute er optimal temperatur (flest fornøyde) på cirka 21 C.

2 FOTO: ARCHPHOTO, INC BAUMSCHLAGER EBERLE Figur 1: Kontorbygget 2226 i Lustenau, Østerrike. Bygget er tilnærmet kubisk, har seks etasjer med et samlet bruksareal på cirka 3 m 2. PD (%) Prosent misfornøyde (PD) som funksjon av CO₂-nivå CO2-nivå i inneluften, ppm ppm CO₂-nivå som funksjon av luftmengde Luftmengde per person, l/s*pers Figur 2: Sammenheng mellom CO 2 -nivå forårsaket av personer og antall misfornøy de med luftkvaliteten. Figur 3: Sammenheng mellom luftmengde per person og CO 2 -nivå i et lokale med full omrøring og normal kontoraktivitet (1 met). Grønn linje er CO 2 -nivå i uteluften. /216 Norsk VVS 31

3 PD (%) Prosent misfornøyde som funksjon av entalpi 3, l/s per person 1 l/s per person (2 C, RF=4%) (23 C, RF=%) (26 C, RF=6%) Entalpi (kj/kg) Figur 4: Opplevd luftkvalitet som funksjon av luftmengde, temperatur og luftfuktighet. Fra Fang et al j. Figur : Simulert relativ fuktighet i et typisk kontorlandskap på 13 m 2 ved dimensjoner ende vinterforhold (døgnsnitt på -2 C), med balansert ventilasjon (øverst) og naturlig ventilasjon (nederst). Balansert ventilasjon med luftmengde på 7 m 3 /hm 2 (2 l/s per person) og naturlig ventilasjon med 1,4 m 3 /hm 2 (4,2 l/s per person). Simuleringer gjort i SIMIEN 6.. Kalkulasjonshastighet Kalk. per min. 14, 14 13, 13 12, 12 11, 11 3 Relativ fuktighet (%),7,6,,4,3,2,1 Følelse av tørre øyne 3 Relativ fuktighet (%) Figur 6: Sammenheng mellom relativ fuktighet og kalkulasjonshastighet, fra Wyon et al n. Figur 7: Sammenheng mellom relativ fuktighet og følelse av tørre øyne (skala fra til 1), fra Wyon et al n. Server luft som champagne Server luft som Champagne, tørr og kald, var slogan til innklimaguruen P.O. Fanger i mange år. Bakgrunn for utsagnet var en rekke danske studier i,j k,l og doktorgraden til Lei Fang m på nittitallet som viste at opplevd luftkvalitet er sterkt avhengig av temperatur og til dels luftfuktighet, og disse vil i mange tilfeller være viktigere for opplevd luftkvalitet enn tilførte luftmengder. En kontrollert feltstudie av Fang et al j viste at holder man temperatur og luftfuktighet lavt (2 C/4 % RF) kan selv lave luftmengder (3, l/s per pers) gi meget god opplevd luftkvalitet (PD 9 %), som vist i figur 4. Tredobler man luftmengden til 1 l/s per person, men øker temperatur og relativ fuktighet relativt moderat til 23 C og % RF øker allikevel antall misfornøyde til cirka %. Øker man temperatur og RF til 26 C og % RF øker antall misfornøyde til 4 %, selv med normale luftmengder på 1 l/s per person. Ytterliggere studier gjort senere av Wyon n understøtter også studiene til Fang, men effekten av lav RF ser ut til å flate ut under 2 3 %. En nærliggende konklusjon ut fra dette er at temperatur og delvis luftfuktighet er viktigere for opplevd luftkvalitet enn store luftmengder og dermed lavt CO 2 -nivå. Eller snudd litt rundt: det er mulig å ha meget god opplevd luftkvalitet og mange prosent fornøyde (over 9 %) med moderate luftmengder (cirka 4 l/s person) forutsatt at temperaturen holdes nære 2 C og relativ fuktighet holdes under 3 %. Dette er forhold som er lett å få til i vinterhalvåret i Norge. Alt har en grense Fordelen med å tilføre luften kald og tørr er uten tvil godt dokumentert, men hvor tørr kan luften være før den fører til uttørring av slimhinner og og tilhørende SBS-problemer? Selv om opplevd luftkvalitet blir bedre med lavere temperatur, ser det ut fra en studie fra Wyon et al n som effekten av lav RF flater ut rundt 2 %, det vil si at det ikke er noe poeng å gå under 2 % RF for å bedre opplevd luftkvalitet. Men i et moderne kontorbygg ventilert med normale luftmengder 4 der personer normalt er eneste fuktkilde vil RF i kalde perioder gå ned mot 1 % som vist på figur. I følge flere studier n,o,p,q,r er det god dokumentasjon for at RF under 2 % fører til mer problemer med tørre slimhinner, høyere blinkefrekvens, mer øyeirritasjon, generelt mer SBS -symptomer, og også lavere produktivitet. Problemene ser særlig ut til å øke med RF under cirka %. Figur 6 viser kalkulasjonshastighet som funksjon av RF fra studien til Wyon et al n. Samme studie viser lignende sammenheng for skrivehastighet og lesehastighet som kan sies å være vanlige kontoroppgaver, og dermed kobles til produktivitet i kontorbygg. Figur 7 viser sammenheng mellom lav RF og øyeirritasjon (følelse av tørre øyne), og andre SBS-symptomer viser samme trend for RF under 2 % RF. En nærliggende konklusjon fra disse studiene er at RF ikke bør underskride % 32 Norsk VVS /216

4 Innetemperatur og produktivitet Ytelse (%) Mental ytelse 7 Fingerferdighet (finmotorikk) Innetemperartur, ( C) ppm CO₂-settpunkt CO Utetemperatur, C Figur 8: Viser mental ytelse og fingerferdighet/finmotorikk som funksjon av innetemperatur, forutsatt stillesittende arbeid og innendørs vinterbekledning (1 clo). Verdier/kurver tatt fra Wyondiagrammet Figur 9: Forslag til utekompensert CO 2 -settpunkt for styring av ventilasjon. % Relativ fuktighet-settpunkt C 23 Settpunkttemperatur oppvarmingssystem 2 1 RF Figur 1: Forslag til utekompensert RF-settpunkt for styring av ventilasjon. Figur 11: Forslag til utekompensert settpunkt for styring av oppvarmingssystem. selv i de kaldeste periodene av året. Dette kan oppnås med enten å senke innetemperaturen, redusere luftmengden eller å kunstig befukte lokalene. Kunstig befuktning via ventilasjonssystemet eller med lokale befuktere ble brukt i betydelig grad tidligere (tilbake på 6- og 7-tallet), men ble gått bort fra fordi man fikk mikrobiologisk vekst der man befuktet, som igjen førte til forurensing av inneluften. En kombinasjon av senkning av temperaturen og reduksjon av luftmengdene er derfor en mer nærliggende strategi. Nederste graf i figur viser simulert relativ fuktighet i et kontorlandskap ved dimensjonerende utetemperatur (døgnmiddel på -2 C) der innetemperaturen er cirka 2 C og frisklufttilførselen er på 4,2 l/s per person. Det er kun regnet med fukttilførsel fra personer. Som vi ser vil RF da svinge mellom og 2 % i arbeidstiden, som ut fra forskningen referert over er ganske optimalt ut fra både SBS-symptomer, komfort, opplevd luftkvalitet og produktivitet. Styr etter årstidene Av studiene referert til over kan man oppsummere: I oppvarmingssesongen bør man etterstrebe å holde temperaturen så nære 2 C som mulig. Dette er også gunstig med hensyn på produktivitet og mental ytelse, se figur 8. Man bør unngå luftfuktighet under % RF innendørs selv i de kaldeste periodene av året. I de kaldeste periodene av året kan man tillate at CO 2 -nivået i oppholdssonen 6 går opp i ppm for å unngå for lav RF, forutsatt at romtemperaturen holdes nære 2 C og man har brukt materialer og installasjoner med lave emisjoner. Utenfor oppvarmingssesongen bør man tilføre mer luft, og økende innetemperatur og RF bør samtidig ledsages av høyere luftmengder og påfølgende lavere CO 2 -nivå. Samlet sett betyr dette at luftmengder, og settpunkt for CO 2, innetemperatur og helst også RF bør variere betydelig over året. En nærliggende parameter å styre disse etter er utetemperatur, dvs. man kan styre systemene etter utekompenserte kurver. Figur 9 viser en mulig utekompensert CO 2 -styring av ventilasjon over året. Det tillates ppm i inneluften når utetemperaturen nærmer seg -2 C, men som lineært reduseres til cirka 7 ppm når utetemperaturen nærmer seg 2 C. I tillegg bør man ideelt sett ha styring av RF, som antydet i figur 1, ved at man ikke lar den komme under % selv når utetemperaturen nærmer seg -2 C, og RF bør da overstyre CO 2 hvis de er i konflikt 7. Ved mer normale vinterforhold (- til C) vil normalt ikke RF være så lav, og CO 2 -styring av luftmengder vil da dominere. Styring av oppvarmingssystem kan gjøres etter en settpunktkurve som vist i figur 11, der man i det meste av opp - varmingssesongen ligger rundt 2 C, men som man lar gli opp 8 til 21 C på slutten av oppvarmingssesongen (antatt slutt ved cirka 1 C). /216 Norsk VVS 33

5 C Settpunkttemperatur kjøling Figur 12: Forslag til utekompensert settpunkt for styring av kjøling Luftmengde per person Vper Figur 13: Viser skjematisk mulig variasjon av tilført luftmengde over året som funksjon av utetemperatur. En mulig styring av innetemperatur utenfor oppvarmingssesongen er vist i figur 12. Her kan kjølingen være et vannbårent lokalt kjølesystem, et balansert ventilasjonssystem med variable luftmengder eller et naturlig ventilasjonssystem (eksempelvis motorstyrte vinduer). Alle de tre styringsparameterne foreslått her vil i ulike deler av året og avhengig av en rekke ulike parametere styre tilført luftmengde. Luftmengde ved ulik utetemperatur I figur 13 er det skjematisk vist en mulig variasjon av luftmengder ved ulike utetemperaturer, der forskjellen i tilført luftmengde (i driftstiden) kan variere med minst en faktor 4. I praksis vil også variabiliteten i luftmengde være betydelig større, og også variere mye over døgnet. I artikkel 2 av denne artikkelserien vil vi se på konsekvensene av å bruke en slik klimastyringsstrategi på både rent naturlig ventilerte bygg og hybridventilerte bygg. Referanser a) b) E.B. Malmquist, 2226, Lustenau, Østerrike, Baumschlager Eberle. Arkitekttur nr 1/2. c) NS-EN 1:27 Inneklimaparametere for dimensjonering og vurdering av bygningers energiytelse inkludert inneluftkvalitet, termisk miljø, belysning og akustikk. d) TEK1 Byggteknisk forskrift med veiledning. e) Veiledning om Klima og luftkvalitet på arbeidsplassen. Arbeidstilsynets veiledning, bestnr f) Ed. W. Fiel, BE Baumschlager Eberle Office Block 2226 / Lustenau. Birkenhauser, / xml?format=EBOK g) Varme- og klimateknikk, Grundbog. Danvak, Kapittel 1 Indeklima. h) ASHRAE ANSI/ASHRAE Standard , Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. i) Fang, L., G. Clausen, and P.O. Fanger. 1998a. Impact of temperature and humidity on the perception of indoor air quality. Indoor Air 8(2):8 9. j) Fang, L., G. Clausen, and P.O. Fanger. 1998b. Impact of temperature and humidity on perception of indoorair quality during immediate and longer whole-body exposures. Indoor Air 8: k) Fang, L., G. Clausen, and P.O. Fanger Impact of temperature and humidity on chemical and sensory emissions from Building Materials. Indoor Air 9: l) Toftum, J., Jørgensen, A.S. and Fanger, P.O.(1998) «Effect of humidity and temperature of inspired air on perceived comfort»,energy and Buildings, 28, 23. m) Phd dissertation Lei Fang, Impact of Temperature and Humidity on Perceived Indoor Air Quality. Denmark Technical University (DTU) n) Wyon D, Fang L, Lagercrantz L, Fanger PO, Experimental Determination of the Limiting Criteria for Human Exposure to Low Winter Humidity Indoors. Published in HVAC&R Research, Vol. 12, ASHRAE 26. o) Fang, L., D.P. Wyon, and P.O. Fanger. 23. Low humidity effects on sick building syndrome symptoms.proceedings of Healthy Buildings 23, Singapore 3:1 6. p) Peder Wolkoff, Søren K. Kjærgaard; Review article The dichotomy of relative humidity on indoor air quality, Environment International 33 (27) q) Lagercrantz, L., D.P. Wyon, H.W. Meyer, J.U. Prause, L. Fang, G. Clausen, and J. Sundell. 23. Objective and subjective responses to low relative humidity in an office intervention study. Proceedings of Healthy Buildings 23, Singapore 3: r) Wyon, D.P., L. Fang, and P.O. Fanger. 23. Low winter humidity indoors has a negative effect on the performance of office work. Proceedings of the 4th International Conference on Cold Climate HVAC. s) Wyon D. «Hur påverkas produktivitet og prestasjon av innomhusklimatet?», VVS & Energi, Sverige Norsk VVS /216