Forskningssenter for miljøvennlig energi Zero Emission Buildings

Transkript

1 Skog og tre 2011 Sesjon: Tre for fremtiden trebyggeri i klimasammenheng Hvordan energieffektive løsninger Forskningssenter for miljøvennlig energi Zero Emission Buildings Terje Jacobsen SINTEF Byggforsk FME Zero Emission Buildings Presentasjonen er basert på underlag fra ZEB-teamet m.fl.

2 Zero Emission Buildings (ZEB) Senteret er ett av åtte forskningssenter som i februar 2009 fikk status som forskningssenter for miljøvennlig energi (FME). Etableringen av sentrene er en direkte følge av klimaforliket på Stortinget i februar 2008.

3 Zero Emission Buildings (ZEB) ZEBs hovedmål: Utvikle produkter og løsninger for eksisterende og nye bygninger, boliger så vel som næringsbygg, som vil lede til markedsgjennombrudd for bygninger med null klimagassutslipp knyttet til produksjon, drift, og avhending. En verden hvor bygninger ikke bidrar med klimagassutslipp 0 ZEB

4 Hvorfor ZEB? Bygninger forårsaker i et globalt og europeisk perspektiv ca 40 % av alle klimagassutslipp. FNs klimapanel viser at klimatiltak i byggsektoren er mest lønnsomt (sammenlignet med de viktigste sektorene). Kostnader for forskjellige tiltak for reduksjon av klimagassutslipp i Europa i Kilde: : McKinsey (2008)

5 Annually energy demand/production: kwh/m2 ZEB-utfordringen Energy standard, single family houses in Norway 250 Kompensere klimagassutslipp fra produksjon av materialer og bygg ved å produsere mer energi enn bygget behøver til drift Today's average standard Buildings code, 2007 Passive house standard Net zero energy Plus energy Energy demand Energy production Kilde: SINTEF Byggforsk

6 ZEB et landslag: Forskning og undervisning innenfor material-, bygnings- og energiteknologi, arkitektur og samfunnsvitenskap Produsenter av bygningsmaterialer og bygningsprodukter Entreprenører, rådgivende ingeniører, arkitekter Bransjeorganisasjoner Eiendomsforvaltere og brukere Offentlig forvaltning NTNU (inkl. 15 phd og post doc stipendiater) SINTEF SINTEF Energiforskning Skanska Weber Isola Glava Protan Hydro Aluminium YIT DuPont Multiconsult Brødrene Dahl Snøhetta ByBo Forsvarsbygg Statsbygg Husbanken Byggenæringens landsforening Norsk Teknologi Statens Byggetekniske Etat Nordan

7 Andre samarbeidspartnere i ZEB Internasjonale samarbeidspartnere: VTT (Finland) Chalmers (Sverige) Fraunhofer (Tyskland) TNO (Nederland) LBL (USA) MIT (USA) University of Strathclyde (Skotland) Tsinghua University (Kina) Referansegruppe fra byggenæringen: Lavenergiprogrammet NBBL NVE Forbrukerrådet EcoBox Driftsforum Enova Arkitektbedriftene

8 Strategi: Trias Energetica Miljøvennlig energitilførsel Gjenvinn energi Reduser behovene Kilde: Lechner, Lysen, og fler Den mest miljøvennlige kilowatt-timen er den som ikke blir brukt! Kilde: Ecobox v/stein Stoknes

9 Hva må gjøres: Vi må redusere energibehovet til et minimum (passivhus osv.). Vi må bruke ren, fornybar energi til å dekke det resterende behovet for varme og/eller kjøling. Vi må bruke fornybar energi til å dekke behovet for elektrisitet. Vi må se på sammenhengen mellom bygninger og transport.

10 Hvordan oppnå ZEB? Senteret skal fokusere arbeidet innenfor fem store arbeidspakker, som alle avhenger av de andre: WP1: Avanserte materialer WP2: Teknologier for adaptive og energiproduserende klimaskall WP3: Energiforsyning og tekniske installasjoner WP4: Bruk, drift og implementering WP5: Konsepter og strategier for nullutslippsbygg

11 FoU i ZEB WP1 WP 1: Avanserte materialer Hovedmålsetning: utvikle nye og innovative materialer og løsninger, så vel som videreutvikle kjente teknologier Eksempler: høyisolerende materialer (f.eks. vakuum- og nanoisolasjonmaterialer) materialer for energilagring (f.eks. faseforandringsmaterialer) kontrollerbare materialer (f.eks. elektrokrome belegg/ruter) T = 300 K Air Gas Thermal Conductivity (mw/(mk)) Pore Diameter (nm) Pore Pressure (Pa)

12 FoU i ZEB WP2 WP 2: Teknologier for adaptive og energiproduserende klimaskall Hovedmålsetning: utvikle godt isolerte, adaptive/kontrollerbare og energikonverterende bygningsskall som er robuste i forhold til varierende klimapåkjenning, bygningstekniske krav og brukerbehov. Eksempler på sentrale oppgaver: integrere og tilpasse nye materialer i reelle konstruksjoner (og ved rehabilitering) utvikle robuste byggdetaljer for nye løsninger/konstruksjoner integrere energikonverterende elementer i bygningsskallet laboratorietesting i forhold til varmetekniske egenskaper, bestandighet, fuktproblematikk, klimapåkjenninger

13 FoU i ZEB WP3 WP 3: Energiforsyning og tekniske installasjoner Hovedmålsetning: utvikle nye og forbedrede produkter og løsninger for energiforsyning og tekniske installasjoner tilpasset ZEB. Eksempler på integrasjon/utvikling av ulike løsninger og teknologier: systemer for utnyttelse av sol (solceller, solfangere og hybride solsystem), bioenergi og vindenergi CHP, CCHP (kombinert varme (kjøling) og kraftproduksjon) varmelagringssystemer varmepumpesystemer hypereffektive systemer for ventilasjon, oppvarming og belysning Kilde: University Wuppertal, School of Architecture, Building Physics and Technical Building Services. Prof. Karsten Voss

14 FoU i ZEB WP4 WP 4: Bruk, drift og implementering Hovedmålsetning: Ny kunnskap om energibruk, drift og implementering av ZEB som skal sikre at ZEB oppnås. Eksempler på sentrale oppgaver: utvikle ny kunnskap om hvordan energien brukes, og trender frembringe kunnskap om brukbarhet av ulike løsninger for ZEB utvikle brukervennlige styringssystemer frembringe kunnskap om optimal drift av ZEB identifisere sentrale behov for kunnskaps- og kompetanseutvikling i byggsektoren frembringe ny kunnskap om hva som fremmer/hindrer innovasjon i byggsektoren

15 FoU i ZEB WP5 WP 5: Konsepter og strategier for nullutslippsbygg Hovedmålsetning: Utvikle konkrete konsepter for ZEB, som gradvis blir realisert som pilotbygg i løpet av prosjektets levetid. Eksempler på sentrale oppgaver: definere ZEB utvikle metoder for beregning av klimagassutslipp utvikle konsepter for ZEB for ulike bygningstyper, både nye bygg og rehabilitering. Viktige rammebetingelser er innemiljø, kostnader, bygningsfysikk, arkitektur, m.m. pilotbygging, fra dagens state-of-the-art (passivhus) fram til ZEB

16 WP ZEB laboratorier Laboratorier for morgendagens løsninger

17 Materiallaboratorium: FTIR analyse av heterogene aterialer

18 Evaluering av varmetransport hva er rett U-verdi Dreibar Hot-Box

19 Klimabelastninger: Dynamisk simulering av ute og inneklima til korttids og langtids belastning (siste vil si akselerert klimaaldring)

20 Testceller og living lab Voll forsøksstasjon, Trondheim EnergyFlexHouse, Dansk Teknologisk Institut

21 Task 2.1: Optimal termisk ytelse

22 U-verdi forbedring pga de siste 50 mm med isolasjon

23 I-profile og 36 mm rektangulære profiler gir samme U-verdier pga høyere termisk konduktivitet til trefiberplata

24 Vacuum Insulation Panels (VIPs) Extensive research the last 2 years (ROBUST, now ZEB) VIPs in traditional wall constructions (thermal and hygrothermal performance) Aging of VIPs - evaluate thermal performance degradation, the external factors that contribute to degradation and accelerated aging test methods Retrofitting with VIPs

25 VIPs in traditional wall constructions Practical application of VIPs in slim wood frame wall constructions with low thermal transmittance (Uvalue). Compare thermal performance of walls with: - Standard wooden studs - I-profiled studs - U-profiled studs Compare hot box measurements and numerical simulations

26 VIPs in traditional wall constructions Hot box measurements

27 VIPs in wall constructions Results - Average for Wall with Studs Hot Box [W/m 2 K] Numerical [W/m 2 K] Difference [%] 36 mm stud (0.111) 11.6 (17.9) I-stud (0.112) 1.5 (3.7) U-stud (0.109) 5.0 (6.2) 36 mm stud I-stud Numerical Hot Box U-stud U-value [W/(m 2 K)]

28 Pilotbygg er våre fullskala laboratorier og demonstratorier Elevrådsleder Araz Ahmadi (14)nikker Dagbladet : samtykkende. På den tidligere skolen hans, nedlagte Strømsø skole et steinkast unna, klaget elever ofte på dårlig luft. - Mange fikk vondt i hodet i løpet av skoledagen, og vi måtte alltid åpne masse vinduer - uten at det hjalp noe Marienlyst skole: Norges første passivhusskole særlig. Her er alt mye mer fritt og åpent, det er lettere å puste og konsentrere seg. Det føles som om vi har fått en helt ny start.

29 Dr.ing. Tor Helge Dokka, Sintef Byggforsk & ZEB Plusshus hvor går utviklingen

30 Hva må til Energieffektiviseringsnivå på passivhus-nivå eller bedre Spesielt redusere elektrisitetsbehovet så mye som mulig (vifter, pumper, lys, utstyr, kjøling) Dekke resterende varmebehov med fornybar energi, som samtidig øke elbruken minst mulig! Ha elproduserende elementer på eller nære bygget, som dekker elbehovet over året

31 Hva må til Eksempel: Kontorbygg Energibudsjett Energipost Energibehov Spesifikt energibehov 1a Romoppvarming kwh 8,1 kwh/m² 1b Ventilasjonsvarme (varmebatterier) 0 kwh 0,0 kwh/m² 2 Varmtvann (tappevann) kwh 5,0 kwh/m² 3a Vifter kwh 4,8 kwh/m² 3b Pumper 0 kwh 0,0 kwh/m² 4 Belysning kwh 6,3 kwh/m² 5 Teknisk utstyr kwh 15,7 kwh/m² 6a Romkjøling 0 kwh 0,0 kwh/m² 6b Ventilasjonskjøling (kjølebatterier) kwh 2,8 kwh/m² Totalt netto energibehov, sum kwh 42,6 kwh/m² Termisk: 13,1 kwh/m2år Elspesifikt: 29,5 kwh/m2år Dokumentasjon av sentrale inndata (1) Beskrivelse Verdi Doku Areal yttervegger [m²]: 796 <dok Areal tak [m²]: 1200 <dok Areal gulv [m²]: 1200 <dok Areal vinduer og ytterdører [m²]: 720 <dok Oppvarmet bruksareal (BRA) [m²]: 3600 <dok Oppvarmet luftvolum [m³]: 8748 <dok U-verdi yttervegger [W/m²K] 0,09 <dok U-verdi tak [W/m²K] 0,08 <dok U-verdi gulv [W/m²K] 0,08 <dok U-verdi vinduer og ytterdører [W/m²K] 0,60 <dok Areal vinduer og dører delt på bruksareal [%] 20,0 <dok Normalisert kuldebroverdi [W/m²K]: 0,02 <dok Normalisert varmekapasitet [Wh/m²K] 68 <dok Lekkasjetall (n50) [1/h]: 0,30 <dok Temperaturvirkningsgr. varmegjenvinner [%]: 90 <dok

32 Hva må til Eksempel: Kontorbygg Det lave varmebehovet dekkes av et enkelt men effektivt varmepumpe-sol-system, med årsvarmfaktor samlet på 4,5 Gjenstående elektrisk behov: El for å dekke varmebehov: 13,1/4,5 = 2,9 kwh/m2år Elspesifikt behov: 29,5 kwh/m2år Totalt elektrisk behov (levert): 32,4 kwh/m2år. For et bygg på 3600 m2: kwh/år

33 Hva må til Eksempel: Kontorbygg State-Of-The-Art solceller i Oslo-klima med god orientering: ~ 150 kwh/m2år Trenger: 778 m2 solcelleareal. Takareal kontorbygg: 1200 m2 Holder trolig akkurat, hvis satt med optimal helning: º.

34 Hva koster det pr. i dag: Passivhus + på bygget: ca kr/m2 Elbesparende teknologi: ca. 400 kr/m2 Sol/VP anlegg: ca. 400 kr/m2 Solceller: ca. 780 m2 x kr/m2 / 3600 m2 = kr/m2 BRA. Totalkostnad: ca kr/m2 BRA, eller ca. 14 millioner for hele bygget. Dette kan trolig halveres i løpet av 4-8 år

35 Utfordringen - Mismatch Output solceller Elbehov

36 Marche-kontorbygg: Zurich 1270 m2 BRA, 50 arbeidsplasser Passivhus+-standard Geobasert VP 485 m2 solceller på taket Går i null over året

37 Veien videre fra Passivhus til Plusshus Energibruk typisk yrkesbygg 300 Kjøling Teknisk utstyr 250 Belysning Vifter og pumper Varmtvann 200 Oppvarming Marienlyst skole - passivhus Marche kontorbygg - Nullenergibygg - kwh/m2år

38 Ledelse og kontaktpersoner Senterledelse: Director: Professor Anne Grete Hestnes, NTNU Manager: Seniorforsker Anne Gunnarshaug Lien, SINTEF Byggforsk Arbeidspakkeledere: WP 1 Avanserte materialteknologier: Prof. Arild Gustavsen, NTNU WP 2 Teknologier for adaptive og energiproduserende klimaskall: Forskningsleder Berit Time, SINTEF Byggforsk WP 3 Energiforsyning og styringssystemer: Prof. Vojislav Novakovic, NTNU WP 4 Energieffektiv bruk og drift: Forsker/førsteamanuensis Thomas Berker, NTNU WP 5 Konsepter og strategier for nullutslippsbygg: Seniorforsker Tor Helge Dokka, SINTEF Byggforsk EU-kontakt: Professor Øyvind Aschehoug, NTNU Industrikontakt og laboratorieansvarlig: Forskningsdirektør Terje Jacobsen, SINTEF Byggforsk

39 Det finnes kanskje bedre løsninger

40 There might be better solutions