SMARTBYGG Smart Energy-efficient Buildings A strategic research program at NTNU og SINTEF 2002-2007 In order to develop Smart Energyefficient Buildings it is not enough to focus on energy-efficient technologies, - we need to consider the interactions between technology, building, and users. Smart Energy Efficient Buildings The aim of the SmartBuild project is to develop new knowledge, integrated solutions, and technologies that will make it possible to cover our building-related energy needs with substantially less harmful environmental emissions while still satisfying the whole range of end-user needs such as comfort, aesthetics, costs, operability, reliability and functionality. 1
Our strategy: Smart Energy Efficient Buildings Inter-diciplinary Co-operation Integration Innovation Implementation WP 1: The users and the Environment WP 2: The Building WP 3: Energy Systems Env l Benefit Value creation Human comfort Task 1.1: User Cultures and User Needs Task 2.1: Integrated Design Task 3.1: Heating, Cooling, Ventilation Syst s Task 1.2: Environmental Friendliness Task 2.2: Building Integrated Energy Systems Task 3.2: Heat Pumps Task 1.3: Indoor Environment Task 2.3: Lighting Systems Task 3.3: Operation and Automation Task 1.4: Implementation Strategies Task 2.4: Building Integrated Photovoltaic Syst s Task 3.4: Energy Storage user packages 2
SmartBygg - Participants NTNU, Faculty of Architecture and Fine Art Department of architecture, history, and technology Department of architectural design, form, and colour studies SINTEF Architecture and Building Technology NTNU, Faculty of Engineering Science and Technology: Department of Energy and Process Engineering Department of Civil and Transport Engineering Department of Geology and Mineral Resources NTNU, Faculty of Engineering, Mathematics, and Electrical Engineering Department of Electric Power Engineering SINTEF Energy Research NTNU, Faculty of Arts: Department of Interdisciplinary Cultural Studies SmartBygg Financing Norwegian Research Council Forsvarsbygg (the Armed Forces construction and property management company) Statsbygg - The Directorate of Public Construction and Property Husbanken the Norwegian State Housing Bank + Industrial partners related to individual sub-projects Total budget: 35 mill NOK 3
SmartBygg Ph.D. Projects Users of office buildings R. Bye, Interdisciplinary studies Environmental criteria H.T. Moe, Interdisciplinary studies Integrated design processes T. Tollefsen, Architecture, history, and technology Daylight and electric lighting T. Kolås, Architecture/Photonics Continuing commissioning J. Holst, Energy and process CO 2 -heat pumps T. Andresen, Energy and process Intelligent facades and daylight A.Wyckmans, Architecture, history, and technology Real-time supervision of building HVAC performance N.Djuric, Energy and process WP 1 Brukere og miljø 1.1 Brukere 1.2 Miljøkriterier 1.3 Innemiljø 1.4 Implementering Organisering av og deltakelse i arbeidsgrupper på tvers av arbeidspakkene. Studier av brukerkulturer og brukerbehov. Utvikling av rådgivingsmateriale om brukerdeltakelse i byggeprosjekter. 4
WP 1.1 Brukere Status: All datainnsamling avsluttet Publisering pågår, to artikler innsendt til vurdering i internasjonale tidsskrift Robert Byes doktorgrad om brukere av yrkesbygg er under avslutning Viktige innsikter: Store utfordringer knyttet til hvordan brukere skal måles og representeres Neglisjering av superbrukere (driftspersonale) Problematisk organisering av brukermedvirkning fører til misnøye Lærende bygg WP 1.2. Miljøkriterier Status: Helene Moe disputerte på avhandlingen Tro, håp og hybrid ventilasjon - mål på miljøvennlighet i bygninger 29.9 Viktige innsikter: Underutvikling av miljøindikatorer Miljø som lokal konstruksjon Teknologi som miljøikoner 5
Tro, håp og hybrid ventilasjon - mål på miljøvennlighet i bygninger Resultater av PhD-arbeidet til Helene Tronstad Moe Institutt for tverrfaglige kulturstudier Senter for teknologi og samfunn NTNU Sentrale problemstillinger Hvilke aktører deltar i stabiliseringen av begrepet miljøvennlighet? Hvordan blir kriterier for og indikatorer på miljøvennlighet fremforhandlet, forstått, tatt i bruk og benyttet som grunnlag for konstruksjon av bygninger? 6
Analyse av feltet Litteraturstudier Deltakelse på konferanser Intervjuer SmartBygg og Sintef SFT ENOVA Statens Bygningstekniske etat Statsbygg Byggforsk Konsulentselskapet Hambra Bærum kommune Trondheim kommune Innledende funn Energi blir betraktet som synonymt med miljø Byggeforskriftene bidrar ikke til å redusere energiforbruket i tilstrekkelig grad Generelt: Liten interesse for miljø ved planlegging og konstruksjon av bygg 7
Visualiseringskulturer Forståelsen av miljøvennlighet er profesjonsavhengig De ulike profesjonene benytter ulike representasjoner og visualiseringer av miljøvennlige bygg Ingeniører bruker stolpediagrammer og flytskjemaer for å illustrere energibruk Arkitekter foretrekker vakre fotografier og bilder av bygget for å visualisere totalitet og bærekraft 8
Konsekvenser av dagens kalkulasjons- og visualiseringspraksiser Aktørene mangler en felles, helhetlig forståelse av miljøvennlighet Profesjonene fokuserer på hver sine hensyn Leder til perpleksitet og problemer knyttet til konstruksjon av miljøindikatorer Mangel på forståelse av/for øvrige aktørers kalkulasjonsregimer og visualiseringspraksiser Mangelfullt tverrfaglig samarbeid i byggeprosessen Arkitektens kalkulasjoner blir lagt til grunn De kommer først inn i byggeprosjektene Dobbeltarbeid, tids- og kostnadsoverskridelser 9
Oppsummering Ulike profesjoner fortolker miljøbegrepet ulikt. Representasjoner og visualiseringspraksiser bidrar til å opprettholde faggrenser og forståelser av miljøvennlighet. De faktiske, byggtekniske løsningene er resultat av forhandlinger mellom aktører og profesjoner med ulike verdier og teknologifortolkninger. Aktørene i byggebransjen rammer inn og utfører svært ulike kalkulasjoner knyttet til fortolkninger og konstruksjon av miljøvennlige bygninger WP 1.3. Innemiljø Status: Oppsummering gjennom litteraturstudier. blant annet om bruk av ventilasjonsluft til oppvarming Pågående innsats for å utvikle kravspesifikasjoner Samarbeid om brukerbehov og brukermedvirkning Viktige innsikter: Bruk av ventilasjonsluft til oppvarming egner seg for nye lavenergibygg, men ikke nødvendigvis i gamle bygg 10
WP 1.4. Implementering Status: Datainnsamling avsluttet knyttet til to case-studier Avanserte dagslyssystemer CO 2 som arbeidsmedium til oppvarming og kjøling Analyse og publiseringsarbeid pågår Artikkel om implementering og forhold i byggebransjen under arbeid Viktige innsikter: Organisatoriske og kontraktsmessige forhold i byggebransjen er et hinder for implementering av ny teknologi WP 2 Bygning 2.1 Integrerte designprosesser 2.2 Bygningsintegrerte energisystemer 2.3 Belysningssystemer 2.4 Bygningsintegrerte solcellesystemer Fokus på design guidelines 11
WP 2.1 Integrerte designprosesser Aktiviteter: Ph.D. Study (Terje Tollefsen): The Integrated Design Process (IDP) as an Instrument for successful Building Projects. State-of-the-art rapport Case studier på miljøkriterier og prosess: Gjennomgang av miljøprosjekter (Kvadraturen VGS, Kvernhuset Videregående skole) Utvikling av verktøy for integrert energidesign Case studier Erfaringer: Kun (tilfeldige) deler av miljøbegrepet implementeres Mangel på verktøy for å strukturere prosessen og integrere fagene 12
Verktøy for integrert design A YTRE MILJØ MATERIALER FREMSTILLING OPVARMING RESSURSBRUK ENERGI VANN BYGGING DRIFT KJØLING VIFTER INNEMILJØ LAND PUMPER VANN LYS Verktøy for integrert energidesign 13
Select energysource Display and control energy consumption Utilize solar heat Reduce electricity consumption WP 2.2 Bygningsintegrerte energisystemer Aktiviteter: Deltakelse i IEA ECBCS Annex 44: Integrating Environmentally Responsive Elements in Buildings Pilotprosjekt: Mæla ungdomsskole i Skien Utvikling av integrert fasadekonsept IEA Annex 44 Subtask A: Environmentally Responsive Elements Active integrated facades Thermal mass activation Phase change materials Breathing walls Subtask B: Integrated Building Concepts Examples of buildings Design processes Design and simulation tools Reduce heat loss The Kyoto Pyramide Passive energy design process 14
IEA eksempel - Kontorbygg MIVA Stadl-Paura, Austria Office + cafe, 1215 m 2 Passive house standard Heating and cooling panels connected to heat pump and deep sonds Thermal mass activation Solar collectors, PV Energy/power (measured): Heating: 20 kwh/m 2 /yr, 13 W/m 2 Cooling: 6.4 kwh/ m 2 /yr, 11 W/m 2 Design process: Energy experts included from start. Integrated planning team (architecture, energy, construction), motivated client Lessons learned: Energy party in charge, coordinated process Tilknyttet prosjekt: Uni-Energy Oppdragsgivere/samarbeidspartnere: Unicon, Cementa, SINTEF Konstruksjoner og betong. Delprosjekter: Internasjonal State-of-the-Art på innovativ bruk av termisk masse. Pilotbygg Datablad for byggherrer, ARK, RIV, RIB, Entreprenører 15
Pilotprosjekt: Mæla ungdomsskole i Skien Godt innemiljø Totalt energibehov < 80 kwh/m 2 år (gjennomsnitt for tilsvarende bygg ~ 200 kwh/m 2 år) Ingen mekanisk kjøling Mest mulig bruk av fornybar energi til romoppvarming Lønnsomhet for byggherre Pir2 Arkitekter Mæla Skole Simulering av bygningsintegrert ventilasjonssystem 16
Mæla Skole Utvikling av integrert fasadekonsept: Modulært Stand-alone Fleksibelt Adjustable blinds in visual view window, one side reflective, the other side absorptive Reflective fixed daylight blinds Heat exchanger Photovoltaic cells Upper window operable for venting passive cooling (exposed concrete ceiling) 17
Årlig energibruk: 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 conventional optimized single optimized double Equipment Lighting Fans DHW Cooling coil Cooling Heating coil Room heating TEmotion 18
WP 2.3 Belysningssystemer Aktiviteter: PhD-studie Tore Kolås: Smart Daylighting Systems for Window Openings at High Latitudes Utvikling av smart utvendig solavskjermingssystem (WonderWall) Ny romlab åpnet med Polsk rom Utvikling av WonderWall: Utvendig fast solavskjerming for nordlige breddegrader Innkjøpt i Bjørvika-konkurransen om Europas mest energieffektive bygg Designmetode utviklet 19
Wonderwall Dagslysstudier i laboratorium: Plan av små rom oppbygd i romlaboratoriet Foto som viser dagslysdistribusjon i rommene 20
WP 2.4 Bygningsintegrerte solcellesystemer Aktiviteter: State-of-the-art Forprosjekt utvikling av fasade-element for REC Architectural Integration of PV in Norwegian Office Buildings Utvikling av verktøy for integrering av solceller i bebyggelsen: UrbanPVtool Deltakelse i IEA Task10: Urban scale PV applications Bygningsintegrerte solcellesystemer: BP Solar Skin 21
Utvikling av verktøy - Urban PVtool: Step One -potential 1.1 Usable surface for PV (Urban level) 1.2 Solar irradiation potential 1.3 Existing energy supply profile 1.4 Financial opportunities 1.5 Added value Step Two -tailoring 2.1 Energy system 1.1 time of energy production vs. time of need 1.2 Security of supply 1.3 Storage 1.4 Compatibility between systems 2.3 Urban structure 1.1 Sky view factor 1.2 Density 1.3 Orientation 1.4 Relative building heights 1.5 Reflection 1.6 Obstruction 1.7 Urban roughness 1.8 Façade characteristics 1.9 Usable surface for PV (Building level) 2.2 Construction 1.1 Load bearing structure 1.2 Water proofing 1.3 Wind 1.4 Fire 1.5 Maintenance and operation 2.4 Architectural integration 1.1 Distant visual effects 1.2 Conceptual soundness 1.3 Existing values Step One The purpose of the first step is to clarify if PV is a worthwhile measure or not for an area. Issues related to the amount of solar irradiation and usable space for fitting solar cells, the energy profile for the area (renewable/non renewable), financial opportunities (subsidises and support) and added value are mapped. Step Two If the conclusion of the investigations in step one is positive for PV implementation one proceed to step two for tailoring of the PV system for the specific area. A number of issues are dealt with, from financing and construction to architecture and added value. 2.5 Financing 1.1 Financial models and ownership 1.2 Subsidies and support 1.3 Income 1.4 Saved materials cost 2.6 Added value 1.1 Added value 1.2 Image 1.3 Education 1.4 Economy WP 2 Bygning / WP 3 System Integrert energidesign og kontinuerlig funksjonskontroll requirements specification, building, HVAC product database site planning catalogues facilities facilities management management architecture architecture programming lighting IFC object data model engineering engineering structural HVAC electrical civil fire protection cost cost estimating estimating value engineering Maintenance Design Design Intent Changes/New Test data IFC Model: Performance Data As-Built Data Commissioning simulation wiring codes codes and and standards standards commissioning construction construction procurement Monitoring Dynamic Data From Building Automation System (BacNet, LonWorks, etc.) 22
WP 3 System 3.1 Varme/kjøle/ventilasjonssystemer 3.2 Varmepumper 3.3 Drift og automatisering 3.4 Termisk lagring WP 3.2 Varmepumper Norsk Hydro, Vækerø CO 2 varmepumper for store bygg Ericsson-bygget, Asker Alnafossen kontorpark, Brynseng Nydalen næringspark, Nydalen Lena Terrasse. Melhus 23
CO 2 varmepumpe til vannoppvarming Varmtvannsoppvarming Uteluft som kilde 4.5 kw oppvarmingskapasitet 85 C varmtvannstemperatur Verdens første kommersielle CO 2 varmepumpe Produsert av Denso Corporation Ltd., Japan CO 2 teknologien utviklet ved NTNU-SINTEF i Trondheim Shecco Technology har eksklusive lisensrettigheter til CO 2 teknologi patentene WP 3.3 Drift og automatisering Aktiviteter: Deltakelse i IEA Annex 47: Cost-effective Commissioning for Lowenergy Buildings Utvikling av norske prosedyrer for kontinuerlig funksjonskontroll Kartlegging av bygninger som egner seg for et nasjonalt demonstrasjonsprosjekt Utvikling av opplegg for simulering og optimalisering - og deteksjon av feil - i eksisterende bygg (med forslag til oppretting av feil) Arbeidet er kombinert med arbeidet I Program for funksjonskontroll for effektiv drift av bygninger (PFK) 24
WP 3.4 Termisk lagring Utvikling av dynamisk termisk lagring Warm A ( 35-40 0 C) fluid Position / time T 1 T 2 t 2 Q B t 1 Cold fluid ( 4 0 C or 20-25 0 C) Temperature T DTS: Prinsipielt koplingsskjema Varmeveksler(e) for levering av varme i bygg (gulvvarme?) Varmepumpe luft/vann, ca 20 kw Regulerbar(e) pumpe(r) til varmeenhet(er) (I første omgang én i kontrollrom) Regulerbar pumpe for lading (i kontrollrom) 100 75 50 25 0 25
Kromatografisk skille av varme og kulde Leca - clay spheres 80% water within spheres 45% interstitial space Heat capacity: 0.83 kwh/ o Cm 3 Effect: 0.3 kw/ o Cm 2 Flow : 45 l/min m 2 Vertikal-snitt av DTS-lager Toppdekning: Isolasjon og bærelag Ytre folie mot jord Vannfast betong Fylt med Leca (4-10 mm) Ca 3 m Indre tetting mot lekkasje Isolasjon Vannrett avretting Betong på pukk Ca 3,5 m 26
DTS Utførelse av topp Topsoil 300 mm løs leca Last-fordeler (stålnett) Vanntett plast 200 mm styropor isolasjon 800 mm Betong 80 mm styropor Løs leca inne i tank Dynamisk termisk lager/lab-oppsett 27