SBF BY A07014 - Åpen RAPPORT Bygg C, Vestveien, Ski Termisk komfort og oppvarming via ventilasjonsluft Bjørn J. Wachenfeldt SINTEF Byggforsk Arkitektur og byggteknikk Juni 2007
TITTEL SINTEF RAPPORT SINTEF Byggforsk AS Arkitektur og byggteknikk Postadresse: 7465 Trondheim Besøk: Alfred Getz vei 3 Telefon: 40 00 67 22 Telefaks: 73 59 82 85 Foretaksregisteret: NO 989 015 540 MVA Bygg C, Vestveien, Ski Termisk komfort og oppvarming via ventilasjonsluft FORFATTER(E) Bjørn Jenssen Wachenfeldt OPPDRAGSGIVER(E) Unicon RAPPORTNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. Åpen Agnar Løbakk GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG 13978-82-536-0955-3 3B001805 23 ELEKTRONISK ARKIVKODE PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) 070618-SINTEFRapport2-ByggC-Vestveien-Skiprintversjon.doc Inger Andresen ARKIVKODE DATO GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) 2007-06-18 Siri Blakstad, Forskningssjef Tor Helge Dokka SAMMENDRAG Det er gjennomført simuleringer for Bygg C, Vestveien, Ski som er under prosjektering. Hensikten med simuleringene var å vurdere tiltak for å sikre god termisk komfort sommerstid, samt belyse muligheten for å benytte ventilasjonsoppvarming av bygget som erstatning for et tradisjonelt oppvarmingssystem. Beregningene indikerer at uten naturlig ventilasjon vil 2,6 x oppdimensjonering av kapasiteten til et mekanisk ventilasjonssystem dimensjonert for luftkvalitet være tilstrekkelig til å begrense antall timer med operativ temperatur over 26 0 C til under 50 for alle soner gitt et normalt år klimamessig. Dette innebærer i praksis en kapasitetsøkning for ventilasjonssystemet fra 5,2 m 3 /h per m 2 til ca 13,5 m 3 /h per m 2. Alternativt kan en installere et system for styrt lufting via dagslysvinduene. Det er konkludert med at der det er åpne løsninger vil det være tilstrekkelig å utstyre 1/3 av dagslysvinduene med motorstyring. Det er imidlertid usikkert hvor bra løsningen vil fungere for cellekontorene med mindre kontordørene holdes åpne hele døgnet. Videre viser beregningene at et mekanisk ventilasjonssystem med kapasitet 13,5 m 3 /h per m 2 vil være godt egnet til å erstatte et konvensjonelt oppvarmingssystem for Bygg C, Vestveien, Ski. Ved å øke tilluftstemperaturen til 30 0 C utenom brukstid, kan varmetilførselen til de forskjellige sonene reguleres ved å styre tilluftsmengden. Forutsatt at bygget er i full bruk dagtid, vil forvarming av luften i bygget til 22 0 C utenfor brukstid være tilstrekkelig til å hindre at den operative temperaturen blir for lav i brukstiden, selv om utetemperaturen er -25 0 C og eneste oppvarming i bygget i brukstiden er forvarming av tilluften til 20 0 C. Dersom internlastene er lavere enn forutsatt, kan ventilasjonssystemet i tillegg benyttes som oppvarmingssystem også dagtid. Beregningene viser at en tilluftstemperatur på 25 0 C er tilstrekkelig til å holde komfortabel temperatur med -25 0 C ute dersom internlastene er lik 0 (dvs. ingen varmeavgivelse fra personer, utstyr eller belysning). Selv om beregningen viser at tilfredsstillende varmekomfort er mulig med kun ventilasjonsoppvarming, er dette et nytt oppvarmingskonsept for denne type bygg. Det anbefales derfor nærmere studier av konseptet, og eventuelt installering av backupsystem for ventilasjonsoppvarmingen. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 Termisk komfort Thermal comfort GRUPPE 2 Beregning Estimate EGENVALGTE Ventilasjonsoppvarming Ventilation heating
3 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 BAKGRUNN...4 2 KONKLUSJONER...4 2.1 TERMISK KOMFORT...4 2.2 FORVARMING AV BYGGET VED HJELP AV VENTILASJONSLUFT...5 3 BEREGNINGSMETODIKK...6 3.1 TERMISK KOMFORT...6 3.2 FORVARMING AV BYGGET VED HJELP AV VENTILASJONSLUFT...6 4 INPUT DATA OG BEREGNINGSFORUTSETNINGER...7 4.1 TERMISK KOMFORT...11 Basismodell (før tiltak)...11 Tiltak Økning av ventilasjonsluftsmengden...11 Tiltak Styrt vinduslufting...12 Beregning med lette innervegger...12 4.2 FORVARMING AV BYGGET VED HJELP AV VENTILASJONSLUFT...13 Basismodell...13 Uten internlaster...13 5 RESULTATER...14 5.1 TERMISK KOMFORT...14 5.2 FORVARMING AV BYGGET VED HJELP AV VENTILASJONSLUFT...17 6 STYRINGSALGORITME FOR NATTKJØLING...23 7 REFERANSER...23
4 1 Bakgrunn Det arbeides med prosjektering av et nytt lavenergi kontorbygg, Bygg C, Vestveien, Ski. Bygget er en pilot i et forskningsprosjekt finansiert av Unicon, som har fokus på passiv utnyttelse av termisk masse i bygninger. Formålet med dette pilotprosjektet er å vise hvordan en gjennom passiv energidesign kan oppnå god komfort med minimal energibruk, samtidig som løsningene skal medføre lønnsomhet både for leietagere og byggherre. Det er tidligere gjort en vurdering av energimålsetningen i prosjektet [1]. Rapporten konkluderer med at det ligger godt til rette for å kunne oppnå energiklasse A for bygget i henhold til SINTEF Byggforsks forslag til energimerkesystem for næringsbygg [2]. Beregningene som er gjennomført forutsetter imidlertid at det som følge av passive tiltak ikke vil bli nødvendig med mekanisk kjøling i bygget. Tiltak som allerede er planlagt er utvendig solavskjerming, energieffektiv belysning (redusert internlast, og følgelig kjølebehov), utnyttelse av betongens stabiliserende effekt på det termiske inneklimaet gjennom eksponering i gulv og tak og frikjøling om natten vha. byggets ventilasjonsanlegg. Det er imidlertid behov for å vurdere om disse tiltak er tilstrekkelige for å sikre god komfort i bygget. Videre ble det i [1] konkludert med at det ligger godt til rette for en forenklet oppvarmingsløsning for bygget: På samme måte som at en ved hjelp av ventilasjonsluften frikjøler den termiske massen om natten i de varmeste periodene på sommeren, kan en holde den termiske massen varm, eller forvarme den om natten vinterstid. Dette krever imidlertid nøye planlegging av ventilasjonssystemet, og det er derfor ønskelig med mer detaljerte analyser av denne typen løsning. 2 Konklusjoner 2.1 Termisk komfort Solavskjerming, eksponering av termisk masse og frikjøling om natten ved hjelp av et mekanisk ventilasjonsanlegg dimensjonert med hensyn til luftkvalitet (kapasitet 5,2 m 3 /h per m 2 ) er ikke tilstrekkelig for å sikre god komfort for de delene av bygget som er mest utsatt for sol. Beregningene indikerer at uten naturlig ventilasjon vil 2,6 x oppdimensjonering av kapasiteten til et ventilasjonsanlegg dimensjonert for luftkvalitet (fra 5,2 til ca 13,5 m 3 /h per m 2 ) være tilstrekkelig til å begrense antall timer med operativ temperatur over 26 0 C til under 50 for alle soner gitt et normalt år klimamessig. Dette forutsetter at anlegget utnyttes til å kjøle ned den termiske massen i bygget om natten. Nattkjøling anbefales styrt i henhold til styringsalgoritmen gjengitt i Vedlegg B i publikasjonen Bygningsintegrert ventilasjon en veileder [3]. En beregning gjort med lette konstruksjoner viser at eksponeringen av termisk masse har stor innvirkning på termisk komfort. Dersom eksponeringen av den termiske massen reduseres, vil følgelig kapasiteten på anlegget måtte økes betydelig for å oppnå akseptabel termisk komfort. Naturlig ventilasjon gjennom styrt åpning/lukking av dagslysvinduer er et alternativ til oppdimensjonering av det mekaniske anlegget. Dette vil være effektivt i de lokalene der det er åpen løsning mellom sørøst og nordvest -fasaden, og for kontorene dersom dørene ut til korridoren er åpen. Beregningene viser at dersom luften kan strømme relativt uhindret gjennom
5 bygget fra fasade til fasade vil det være tilstrekkelig at 1/3 av dagslysvinduene er motorstyrt forutsatt at vindusmotorene er i stand til å gi en lysåpning på opp til ca. 25 cm bredde. For cellekontorene forutsetter dette at kontordørene står åpne. Løsningen vil fungere dårligere for cellekontorene dersom eneste overstrømningsmulighet til/fra korridor er via overstrømningsventiler. Styrt vinduslufting vil medføre introduksjon av et tilleggssystem, og styringen av dette systemet må koordineres med styringen av det mekaniske systemet. Dette medfører ekstra direkte investeringskostnader i motorer, styringssystem og tilhørende utstyr, og ekstra kostnader tilknyttet planlegging, montasje og programmering av styring. Den mest kostnadseffektive og sikreste løsningen vil sannsynligvis være å tilrettelegge det mekaniske ventilasjonssystemet for frikjøling. Dersom en i tillegg har mulighet til å åpne vinduet i nærheten av der en sitter ligger forholdene godt til rette for at brukerne blir fornøyde. Det er forutsatt at systemet har svært lav spesifikk energibruk til viftedrift (SFP=1 kw/m 3 /s), og dette innebærer romslig dimensjonert kanalsystem, komponenter som gir lave trykkfall og bruk av energieffektive vifter. Bypass-løsning forbi varmegjenvinner og ettervarmebatteri når anlegget benyttes til frikjøling bør vurderes. I dette prosjektet ligger det spesielt godt til rette for at en kan oppnå god termisk komfort uten mekanisk kjøling. Mekanisk kjøling vil forøvrig gjøre det vanskelig å nå energimerke A for bygget i henhold til anbefalt merkeordning [2]. Dette hovedsakelig som følge av direkte energibruk til kjøling i. I tillegg vil et eventuelt kjølebatteri gi økt trykkfall, og dermed bidra til å øke energibruken til viftedrift hele året. Om en ønsker å sikre seg 100 % mot at det blir for varmt i lokalene anbefales det at det heller settes av en garantisum og plass for etterinstallasjon av kjølebatteri og kjølemaskin. Dersom en etter 1-2 års drift mot formodning skulle komme til at det blir for varmt, har en da mulighet til å etterinstallere et kjølesystem. 2.2 Forvarming av bygget ved hjelp av ventilasjonsluft Beregningene viser at et mekanisk ventilasjonssystem med kapasitet 13,5 m 3 /h per m 2 vil være godt egnet til å erstatte et konvensjonelt oppvarmingssystem for Bygg C, Vestveien, Ski. Ved å øke tilluftstemperaturen til 30 0 C utenom driftstid, kan varmetilførselen til de forskjellige sonene reguleres ved å styre tilluftsmengden til hver enkelt sone ved hjelp av VAV-systemet. Forutsatt at bygget er i full bruk dagtid, vil forvarming til 22 0 C utenfor brukstid være tilstrekkelig til å hindre at den operative temperaturen blir for lav, selv om utetemperaturen er -25 0 C og eneste oppvarming i bygget er forvarming av tilluften til 20 0 C. Dersom internlastene er lavere enn forutsatt, kan ventilasjonssystemet benyttes som oppvarmingssystem også dagtid. Beregningene viser at en tilluftstemperatur på 25 0 C er tilstrekkelig for å kompensere for all internlast. Dvs. at selv om det ikke finnes noe annet som avgir varme i bygget (verken personvarme, belysning eller utstyr), vil en gjennom å forvarme tilluften til 25 0 C, og styre tilluftsmengden til de forskjellige sonene etter oppvarmingsbehovet, kunne holde komfortabel temperatur i hele bygget selv om temperaturen ute er -25 0 C. i Dersom det planlegges installert kjølesystem skal det ved beregning av energibehov antas at dette styres etter en settpunkt temperatur for kjøling på 23 0 C.
6 Settpunktene benyttet i simuleringene for oppvarming vha. ventilasjonsluft kan tjene som utgangspunkt, men bør imidlertid også kompenseres mot utetemperatur (jo lavere utetemperatur, jo varmere bør bygget være før det kommer folk). Luft-baserte oppvarmingssystem er fortsatt uvanlig i Norge, og det må derfor påregnes noen justeringer av styringsparameterne før systemet er innkjørt. Det bør også vurderes om det skal installeres ekstra romoppvarmingskapasitet som backup, ved eventuelle problemer med det luft-baserte oppvarmingssystemet. Dersom en likevel tenker å installere et tradisjonelt oppvarmingssystem, er det ikke hensiktsmessig å installere ettervarmebatteri. Erfaringsmessig er det problematisk å få til god temperaturregulering når en benytter ettervarmebatteri i kombinasjon med høyeffektiv varmegjenvinner. Dette da temperaturen lett blir for høy når ettervarme tilføres. En varmegjenvinner med 85 % virkningsgrad vil likevel gi høy nok tilluftstemperatur selv i de kaldeste periodene forutsatt at romtemperaturen heves noe ved ekstremt lave utetemperaturer, og en benytter innblåsningsløsninger som gir god innblanding med romluften. Som ekstra sikkerhet kan en i kalde perioder redusere luftmengden slik at tilluftstemperaturen aldri faller under et fastsatt nivå. Dette vil kunne medføre noe lavere luftmengder når det er ekstremt kalt, men dette virker positivt inn på luftfuktigheten, som også er en viktig inneklimaparameter i kalde perioder. 3 Beregningsmetodikk 3.1 Termisk komfort For å vurdere om de tiltakene som allerede er planlagt er tilstrekkelig for å sikre god termisk komfort i varme perioder er det laget en modell for den delen av bygget som er mest utsatt for sol i verktøyet ESP-r [4]. ESP-r er et avansert beregningsverktøy for bygningsfysiske analyser som gjør det mulig å simulere temperaturutviklingen og energi/effektpådrag i bygget minutt for minutt. Modellen representerer det åpne landskapet i toppetasjen i den delen av bygget som vender mot sørvest, samt to typiske cellekontor i samme del av bygget. Det ene cellekontoret vender mot sørøst mens det andre vender mot nordvest. 3.2 Forvarming av bygget ved hjelp av ventilasjonsluft Toppetasjen i den delen av bygget som vender mot sørvest er også mest klimautsatt vinterstid ettersom både tak og 3 av 4 vegger vender mot friluft. ESP-r modellen av denne delen av bygget er derfor også benyttet til å analysere hvorvidt det vil gi akseptabel komfort å benytte forvarming av bygget ved hjelp av ventilasjonsluft som eneste oppvarmingskilde.
7 4 Input data og beregningsforutsetninger Rommene i etasjen under, samt tilliggende rom antas ha samme temperatur som hver av sonene i modellen (dynamisk grensebetingelse). For internlastene er det i likhet med for tidligere beregninger [1] benyttet standardiserte verdier i henhold til TEK 2007. Verdiene er gjengitt i Tabell 1. Den utvendige solavskjermingen utenfor hovedvinduene aktiviseres når innstrålt effekt på det aktuelle vindu overstiger 200 W/m 2. Det er antatt at vinduene har en solfaktor på 0,56 uten solavskjerming og 0,1 når solavskjermingen er aktiv (se Tabell 2, 3 og 4). Vindusegenskapene som funksjon av solens innfallsvinkel er ellers beregnet med programvaren WIS [5]. Glassareal for de forskjellige fasadene er beregnet med utgangspunkt i tegningsgrunnlag mottatt fra arkitekt den 25.4.2007. Orienteringen er også endret noe i forhold til modellen benyttet for beregning av netto spesifikt energibehov fra [1]. Input dataene for beregning av temperaturene i henholdsvis åpent landskap, kontoret som vender mot sørøst og kontoret som vender mot nordvest er også oppsummert i henholdsvis Tabell 2, 3 og 4. Luftmengder benyttet som input til beregningene er angitt i volum per tid (f.eks. m 3 /h per m 2 ) og gjelder for luft med temperatur 20 0 C. I realiteten er luftmengdene benyttet som input gitt i kg/s. Høyere temperaturer vil derfor gi mer luft i volum per tid, mens lave temperaturer vil gi mindre luft i volum per tid en det som er angitt. Tabell 1 Driftstider og internlaster Driftstid for personvarme, lys og utstyr (timer per dag/ dager per uke) Personvarme [W/m 2 ] Lys [W/m 2 ] Utstyr [W/m 2 ] Tot [W/m 2 ] 12/5 5 5,5 11 21,5
8 Tabell 2 Oversikt over byggtekniske input data for sonen åpent landskap mot sørvest. Beskrivelse Verdi Totalt oppvarmet areal 264 m 2 (15x17,6m 2 ) Totalt oppvarmet luftvolum 845.0 m³ (Arealx3,2 m) Vindusareal med orientering 145 0 (mot Sørøst) Dagslysvindu: 6,5 m 2, Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor: 0,56 Vanlig vindu: 16,2 m 2 Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor uten utvendig solavskjerming: 0,56; Solfaktor med utvendig solavskjerming: 0,10 Vindusareal med orientering 235 0 (mot Sørvest) Dagslysvindu: 2,1 m 2, Uverdi: 0.9 W/m²K; Glassfaktor: 0.73; Solfaktor: 0.56 Vanlig vindu: 10,9 m 2 Uverdi: 0.9 W/m²K; Glassfaktor: 0.73; Solfaktor uten utvendig solavskjerming: 0,56; Solfaktor med utvendig solavskjerming: 0,10 Vindusareal med orientering 325 0 (mot Nordvest) Dagslysvindu: 6,7 m 2, Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor: 0,56 Yttervegger Vanlig vindu: 16,9 m 2 Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor uten utvendig solavskjerming: 0,56; Solfaktor med utvendig solavskjerming: 0,10 Areal: 101 m2 Opprinnelig Uverdi: 0,15 W/m²K; 15 cm betong 25 cm isolasjon type mineralull e.l. Korrigert Uverdi pga. kuldebroeffekt fra vindusrammer med mer: 0,25 W/m²K Lagvis sammensetning for korrigert vegg (ytterst-innerst): 15 cm betong 14,5 cm isolasjon type mineralull e.l. Yttertak Areal: 264 m 2 Gulv mot etasjen under Innervegger Uverdi: 0.13 W/m²K; Taktekking (asfalt e.l.) 30 cm isolasjon type mineralull e.l. 20 cm betong 20 cm betong 3 mm vegg til vegg teppe 5 cm isolasjon type mineralull e.l.
9 Tabell 3 Oversikt over byggtekniske input data for sonen kontor SE mot sørøst. Beskrivelse Verdi Totalt oppvarmet areal 8,64 m 2 (2,4x3,6m 2 ) Totalt oppvarmet luftvolum 27,7 m³ (Arealx3,2 m) Vindusareal med orientering 145 0 (mot Sørøst) Dagslysvindu: 0,89 m 2, Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor: 0,56 Yttervegger Vanlig vindu: 2,2 m 2 Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor uten utvendig solavskjerming: 0,56; Solfaktor med utvendig solavskjerming: 0,10 Areal: 4,58 m2 Opprinnelig Uverdi: 0,15 W/m²K; 15 cm betong 25 cm isolasjon type mineralull e.l. Korrigert Uverdi pga. kuldebroeffekt fra vindusrammer med mer: 0,25 W/m²K Lagvis sammensetning for korrigert vegg (ytterst-innerst): 15 cm betong 14,5 cm isolasjon type mineralull e.l. Yttertak Areal: 8,64 m 2 Gulv mot etasjen under Innervegger Uverdi: 0,13 W/m²K; Taktekking (asfalt e.l.) 30 cm isolasjon type mineralull e.l. 20 cm betong 20 cm betong 3 mm vegg til vegg teppe 5 cm isolasjon type mineralull e.l.
10 Tabell 4 Oversikt over byggtekniske input data for sonen kontor NW med fasade mot nordvest. Beskrivelse Verdi Totalt oppvarmet areal 8,64 m 2 (2,4x3,6m 2 ) Totalt oppvarmet luftvolum 27,7 m³ (Arealx3,2 m) Vindusareal med orientering 325 0 (mot Nordvest) Dagslysvindu: 0,92 m 2, Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor: 0,56 Yttervegger Vanlig vindu: 2,30 m 2 Uverdi: 0,9 W/m²K; Glassfaktor: 0,73; Solfaktor uten utvendig solavskjerming: 0,56; Solfaktor med utvendig solavskjerming: 0,10 Areal: 4,46 m2 Opprinnelig Uverdi: 0,15 W/m²K; 15 cm betong 25 cm isolasjon type mineralull e.l. Korrigert Uverdi pga. kuldebroeffekt fra vindusrammer med mer: 0,25 W/m²K Lagvis sammensetning for korrigert vegg (ytterst-innerst): 15 cm betong 14,5 cm isolasjon type mineralull e.l. Yttertak Areal: 8,64 m 2 Gulv mot etasjen under Innervegger Uverdi: 0,13 W/m²K; Taktekking (asfalt e.l.) 30 cm isolasjon type mineralull e.l. 20 cm betong 20 cm betong 3 mm vegg til vegg teppe 5 cm isolasjon type mineralull e.l.
11 4.1 Termisk komfort Termisk komfort er vurdert gjennom å beregne antall timer som den operative temperaturen i de forskjellige sonene overstiger 26 0 C i løpet av et år. Klimadataene som benyttes i alle simuleringene er et Design Reference Year (standardiserte klimadata) fra Oslo. Tidssteget i beregningene er satt til 15 min. Følgende forutsetninger gjelder for modellene som er sammenlignet: Basismodell (før tiltak) I basismodellen tas det utgangspunkt i den anbefalte tiltakspakken for å oppnå energiklasse A fra rapporten som omhandler energimålsetningen for prosjektet [1]. Dette innebærer at spesifikk energibruk til viftedrift (SFP) er antatt lik 1 kw/m 3 /s, og temperaturøkning som følge av varmetilskudd fra viftene beregnes som 0,37. SFP i henhold til NS3031:2007 [6], og er følgelig satt til 0,37 0 C. Driftstiden for ventilasjon er definert til å vare fra 06:00 (en time før brukstiden starter) til 19:00. I simuleringene er ventilasjonsluftmengden styrt på følgende måte: Utenfor driftstid Utenfor driftstid styres ventilasjonsluftmengden som funksjon av romtemperaturen. Hensikten er å kjøle ned den termiske massen ved behov for å unngå at temperaturen påfølgende dag blir ubehagelig høy. Dersom romtemperaturen er lavere enn 18 C, ventileres det med en minimumsluftmengde på 1,5 m 3 /h per m 2. Er lufttemperaturen over 18 C, økes luftmengden proporsjonalt med temperaturen inntil maks luftmengde på 5,2 m 3 /h per m 2 når temperaturen er over 20 C. Er temperaturen over 20 C ventileres det med 5,2 m 3 /h per m 2. I driftstid I driftstiden ventileres det alltid med 5,2 m 3 /h per m 2. Tiltak Økning av ventilasjonsluftsmengden Hensikten med analysen av dette tiltaket er å se hvor mye ventilasjonsluftsmengden må økes for å tilfredstille kravet til maks 50 timer over 26 C i brukstiden. Den eneste parameteren som er forandret i simuleringene er derfor maksimal ventilasjonsluftmengde. Dette betyr at styringen av ventilasjonsluftmengden fungerer som følger: Utenfor driftstid Dersom romtemperaturen er lavere enn 18 C, ventileres det med en minimumsluftmengde på 1,5 m 3 /h per m 2. Er lufttemperaturen over 18 C, økes luftmengden proporsjonalt med temperaturen inntil maks luftmengde på K x 5,2 m 3 /h per m 2 når temperaturen er over 20 C. Er temperaturen over 20 C ventileres det med K x 5,2 m 3 /h per m 2 I driftstid Dersom romtemperaturen er lavere enn 21 C, ventileres det med en minimumsluftmengde på 5,2 m 3 /h per m 2. Er lufttemperaturen over 21 C, økes luftmengden proporsjonalt med temperaturen inntil maks luftmengde på K x 5,2 m 3 /h per m 2 når temperaturen er over 23 C.
12 Er temperaturen over 23 C ventileres det med K x 5,2 m 3 /h per m 2 Faktoren K økes inntil ingen av sonene har mer enn 50 timer over 26 C i brukstiden. Tiltak Styrt vinduslufting Hensikten med analysen av dette tiltaket er å se hvor stort åpningsareal som kreves dersom styrt vinduslufting skal hindre at antall timer med over 26 C i lokalene overstiger 50. Det antas at dagslysvinduene i sørøst og nordvest-fasadene er utstyrt med motorer som gjør at de kan åpnes og lukkes etter behov. Fasadene antas fullt eksponert mot vind (ikke skjermet av tilliggende bebyggelse e.l.). Beregningene med styrt vinduslufting er gjennomført på følgende måte: Det mekaniske ventilasjonsanlegget driftes som i fyringssesongen, dvs. med luftmengde 5,2 m3/h per m2 i driftstid, og 1,5 m3/h per m2 utenfor driftstid. Forøvrig styres åpningen av vinduene på følgende måte: Utenfor driftstid Dersom romtemperaturen er lavere enn 18 C, holdes vinduene stengt. Er lufttemperaturen over 18 C, økes åpningsarealet proporsjonalt med temperaturen inntil maks åpning L x A dagslysvindu når temperaturen er over 20 C. A dagslysvindu er det totale glassarealet til alle dagslysvindu i sonen. I driftstid Dersom romtemperaturen er lavere enn 21 C, holdes vinduene stengt. Er lufttemperaturen over 21 C, økes åpningsarealet proporsjonalt med temperaturen inntil maks åpning L x A dagslysvindu når temperaturen er over 23 C. Faktoren L økes inntil antall timer med over 26 C i brukstiden for den varmeste sonen reduseres til under 50. For kontorene gjøres det to beregninger. Den ene med kontordøren stengt, slik at luften må strømme ut til korridor via en 5 cm*60 cm overstrømningsventil. Den andre gjøres med kontordørene åpne, slik at luften kan strømme relativt fritt mellom kontor, korridor og åpent landskap. Beregning med lette innervegger Det er også gjennomført en beregning med samme forutsetninger som beskrevet i avsnitt 0 Tiltak Økning av ventilasjonsluftsmengden, men der den eksponerte termiske massen (betongen) i lokalene er fjernet, og erstattet med lett kledning (type gipsplater e.l.). Dette for å gi en pekepinn på hvor mye eksponeringen av termisk masse betyr for temperaturen i lokalene.
13 4.2 Forvarming av bygget ved hjelp av ventilasjonsluft Det er her valgt å ta utgangspunkt i tiltaksmodellen økning av ventilasjonsluftmengden beskrevet over. Dette innebærer at ventilasjonssystemet har en kapasitet på 20,7 m 3 /h per m 2. Videre er det tatt utgangspunkt i den anbefalte tiltakspakken for å oppnå energiklasse A fra rapporten som omhandler energimålsetningen for prosjektet [1], hvilket innebærer at temperatureffektiviteten på varmegjenvinningen er satt til 85%, og infiltrasjonsluftmengden er 0,08 luftskifter per time. Klimadataene er basert på samme Design Reference Year (standardiserte klimadata) fra Oslo brukt i vurderingen av termisk komfort, men for å se på worst case er temperaturen i klimadatafilen endret til -20 0 C for uken fra 14. til 21 januar, og til -25 0 C for uken fra 22. til 29. januar. Resultater for simuleringene vil bli presentert for fredagen i slutten av begge disse ukene. Tidssteget i beregningene er satt til 1 min. Simuleringene er gjennomført både for en basismodell, og en modell uten internlaster. Øvrige beregningsforutsetninger for disse modellene er som følger: Basismodell For basismodellen er ventilasjonsoppvarming for ekstremt kalde perioder styrt på følgende måte i modellen (merk at settpunktene i virkeligheten vil justeres etter utetemperaturen): Utenfor driftstid Utenfor driftstid settes tilluftstemperaturen til 30 0 C for alle soner. Dersom lufttemperaturen er over 24 0 C i en sone, ventileres det med en friskluftsmengde på 1,5 m 3 /h per m 2. Denne friskluftsmengden (mengden tilførsel av frisk uteluft) holdes konstant utenfor driftstiden. Dersom temperaturen faller under 24 0 C i en sone, økes imidlertid tilluftsmengden utover 1,5 m 3 /h per m 2, men uten å øke friskluftsmengden. Dette innebærer at en del av avtrekksluften ikke sendes til avkast, men filtreres og forvarmes igjen til 30 0 C før den på ny sendes inn i bygget igjen via tilluftssystemet. Tilluftsmengden til en sone øker lineært med fallet i lufttemperatur i sonen til maks tilluftsmengde på 20,7 m 3 /h per m 2 ved 22 0 C. På denne måten holdes lufttemperaturen mellom 22 og 24 0 C i hver sone gjennom styring av tilluftsmengden. Merk at all varmetilførsel til sonen skjer via tilluften. I driftstid I driftstid ventileres det med 5,2 m 3 /h per m 2, og med en tilluftstemperatur på 20 0 C. Foruten internlast i form av personvarme, belysning og utstyr (se Tabell 1 side 7) er det ingen annen varmetilførsel til bygget. Uten internlaster Det er også gjort tilsvarende vurdering der internlasten i bygget er satt lik 0. Uten ventilasjonsoppvarming i driftstiden For disse beregningene er forvarmingen av ventilasjonsluft til 20 0 C eneste varme som tilføres bygget. Beregningene vil følgelig vise hvor mye temperaturen vil falle i løpet av brukstiden dersom byggets det ikke tilføres annen varme.
14 Med ventilasjonsoppvarming i driftstiden I praksis kan en imidlertid kompensere for redusert internlast ved å benytte ventilasjonssystemet til oppvarming også dagtid. Dette er derfor benyttet tilsvarende styring som på natten, men med tilluftstemperatur 25 0 C istedenfor 30 0 C, og med nedre og øvre grense for tilluftsmengden satt til henholdsvis 21 og 23 0 C (istedenfor 22 og 24 0 C utenfor driftstid). 5 Resultater 5.1 Termisk komfort Beregningsresultatene er oppsummert i Tabell 5. Tabellen viser hvor mange timer av brukstiden det vil være overtemperatur i lokalene. Dersom det mekaniske ventilasjonssystemet er dimensjonert for luftkvalitet, dvs. med maks kapasitet på 5,2 m 3 /h per m 2, vil antall timer med operativ temperatur over 26 0 C i lokalene i brukstiden bli langt over det akseptable. Resultatene viser at en må regne med fra 300 til i overkant av 500 timer med overtemperatur. Dette til tross for at en ventilerer med maksimal luftmengde også om natten i de varme periodene. Beregningene viser at dersom kapasiteten til det mekaniske ventilasjonsanlegget økes med en faktor på 2,6, vil antall timer med overtemperatur i alle soner reduseres til under 50. Det betyr at selv uten naturlig ventilasjon vil termisk komfort i lokalene bli akseptabel dersom kapasiteten til ventilasjonsanlegget overstiger 13,5 m 3 /h per m 2 for de mest belastede sonene. En alternativ strategi er å utnytte naturlig ventilasjon til å ventilere ut overskuddsvarme. Gjennom å installere vindusmotorer på en del av dagslysvinduene kan en styre vindusluftingen dag og natt etter behov. Beregningene viser at en lysåpning på 0,22 x glassarealet for dagslysvinduene er tilstrekkelig til å begrense antall timer med temperatur over 26 0 C til under 50 i det åpne landskapet. Dette innebærer at ca 1/3 av dagslysvinduene må utstyres med motor forutsatt at maksimal lysåpning for de motorstyrte dagslysvinduene er 25 cm x vindusbredden. Beregningene indikerer imidlertid at denne strategien ikke vil fungere tilfredsstillende for kontorene med mindre døren ut til korridoren holdes åpen. Det er imidlertid ikke tatt hensyn til effekten av ensidig ventilasjon i beregningene, slik at temperaturen på kontorene med stengte dører i virkeligheten ikke vil bli så høye som resultatene tilsier. Merk at det generelt knytter seg stor usikkerhet til beregningene med naturlig ventilasjon ettersom vindtrykket i virkeligheten vil variere for hvert luftevindu som funksjon av vindhastighet, vindretning og turbulens. I beregningene er det forutsatt at alle åpningene i en bestemt fasade er utsatt for samme vindtrykk. Vindtrykket er beregnet for hvert tidssteg som funksjon av vindretning og vindhastighet.
15 Tabell 5 Beregnet antall timer av brukstiden per år med operativ temperatur over 26 0 C for de forskjellige case. Case: Mekanisk ventilasjon dimensjonert for luftkvalitet Mekanisk ventilasjon med 2,6 x økt kapasitet Mekanisk ventilasjon dimensjonert for luftkvalitet supplert med styrt vinduslufting for ca. 1/3 av dagslysvinduene Mekanisk ventilasjon med 2,6 x økt kapasitet men uten eksponert termisk masse Operativ temperatur Landskap Kont SE Kont NW Landskap Kont SE Kont NW Landskap Kont SE - åpen dør Kont NW - åpen dør Kont SE - stengt dør Kont NW - stengt dør Landskap Kont SE Kont NW 26-27 190,75 170,5 164,25 33,25 26 19 24,5 7,5 20,25 74,5 77 56 53,25 36,75 27-28 120,25 110 102,75 10,75 7,5 6,75 15,75 6,25 5,25 20 40,25 31,25 17 12,75 28-29 101,75 101,75 75 5 3,5 1,75 8,25 0 0,75 4,75 16,25 13,75 6,25 5,25 29-30 66 61,5 38,75 0 0 0 0 0 0 4 3,5 5,75 3,75 2,5 30-31 18,5 10 6,5 0 0 0 0 0 0 0 0 3,75 0 0 31-32 5 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 32-33 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 33-34 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 34-35 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Totalt antall timer over 26 C 502,25 456,75 387,25 49 37 27,5 48,5 13,75 26,25 103,25 137 110,5 80,25 57,25
16 Figur 1 Midlere strålingstemperatur (MRT) og lufttemperatur (db T) i det åpne landskapet beregnet for perioden fra 28 juli-2 august. Resultatene er vist for caset med med mekanisk ventilasjon med 2,6 x økt kapasitet (se Tabell 5). Grafen til venstre viser temperaturutviklingen med betong-gulv med teppe og eksponert betong i tak, mens figuren til høyre viser hva tilsvarende temperaturutvikling ville ha vært med tregulv og lett takkonstruksjon. Beregningen med gulv i tre, og lett takkonstruksjon viser at bruken av betong har stor betydning for termisk komfort. Uten betong vil de overnevnte tiltak følgelig ikke være tilstrekkelige for å sikre god termisk komfort. Figur 1 viser temperaturen i en varm periode i månedsskiftet juni/juli med og uten betong i tak og gulv. Av grafen til venstre ser vi at med betong vil den midlere strålingstemperaturen vil være lavere enn utetemperaturen på de varmeste tidspunktene til tross for at lufttemperaturen inne er høyere. Dette bidrar til å redusere den operative temperaturen betydelig slik at termisk komfort i lokalene forbedres. Av grafen til høyre ser vi at uten betong vil midlere strålingstemperatur følge lufttemperaturen tettere, og bidrar derfor ikke på samme måte til å redusere den operative temperaturen når det er varmt.
17 5.2 Forvarming av bygget ved hjelp av ventilasjonsluft Uten ventilasjonsoppvarming i driftstiden Figur 2 Viser temperaturutviklingen for de aktuelle sonene når temperaturen ute er konstant lik -20 0 C over døgnet. Vi ser at selv uten annen oppvarming i brukstiden enn forvarming av tilluften til 20 0 C, holder den operative temperaturen seg over 20 0 C hele dagen. Også vist er tilluftsmengden inn til det åpne landskapet i antall luftvekslinger per time. Maksimal tilluftsmengde er 2,6 x 5,2 m 3 /h per m 2 13,5 m 3 /h per m 2. Ettersom etasjehøyden er 3,2 m tilsvarer dette ca. 4,2 luftvekslinger per time ved lufttemperatur 20 0 C. Grafene viser hvordan tilluftsmengden styres etter lufttemperaturen slik at disse holdes mellom 22 og 24 0 C utenfor driftstiden. Figur 3 viser temperaturutviklingen med samme forutsetninger som beskrevet over bortsett fra at utetemperaturen i dette tilfellet er -25 0 C. Vi ser at den operative temperaturen holder seg godt over 20 0 C i det åpne landskapet, mens den så vidt faller under 20 0 C i kontorene mot slutten av dagen. Internlastene (se Tabell 1 side 7) bidrar i stor grad til å holde temperaturen oppe dagtid. Det er derfor interessant å beregne hvordan temperaturen vil utvikle seg uten internlaster (dvs. at det ikke er personer, belysning eller personer i bygget). Figur 4 viser hvordan den operative temperaturen da vil utvikle seg når utetemperaturen er henholdsvis -20 og -25 0 C. Vi ser at når temperaturen er ute holder -20 0 C, vil den operative temperaturen falle til ca 17 0 C mot slutten av dagen. Når temperaturen ute er 25 0 C, vil temperaturen mot slutten av dagen falle til rundt 16 0 C.
Figur 2 Lufttemperatur (øverst til venstre), midlere strålingstemperatur (øverst til høyre), operativ temperatur (i midten) for de forskjellige sonene, og tilluftsmengden til det åpne landskapet (nederst til venstre) samt kontorene (nederst til høyre) ved konstant utetemperatur på -20 0 C. Merk at temperaturkurven merket AHU (Air Handling Unit) angir tilluftstemperaturen. 18
Figur 3 Operativ temperatur for de forskjellige sonene (øverst), og tilluftsmengden til det åpne landskapet (nederst til venstre) samt kontorene (nederst til høyre) ved konstant utetemperatur på -25 0 C. 19
20 Figur 4 Operativ temperatur i de forskjellige sonene ved null internlast og utetemperatur lik 20 0 C (til venstre) og -25 0 C (til høyre). Med ventilasjonsoppvarming i driftstiden Reduserte internlaster kan imidlertid lett kompenseres for gjennom å heve tilluftstemperaturen noe på dagtid. Figur 5 viser temperaturutviklingen med -20 0 C ute og null internlast dersom tilluftstemperaturen dagtid heves fra 20 til 25 0 C, og tilluftsmengden styres for å holde lufttemperaturen i hver enkelt sone mellom 21 og 23 0 C. Figur 6 viser samme kurver, men med utetemperatur på -25 0 C. Resultatene viser at en tilluftstemperatur på 25 0 C er mer enn nok til å holde romtemperaturen på komfortabelt nivå med de aktuelle luftmengder.
Figur 5 Lufttemperatur (øverst til venstre) og operativ temperatur (øverst til høyre) for de forskjellige sonene og tilluftsmengden til det åpne landskapet (nederst til venstre) samt kontorene (nederst til høyre) ved konstant utetemperatur på -20 0 C. Merk at tilluftstemperaturen dagtid (AHU) er hevet til 25 0 C. 21
Figur 6 Lufttemperatur (øverst til venstre) og operativ temperatur (øverst til høyre) for de forskjellige sonene og tilluftsmengden til det åpne landskapet (nederst til venstre) samt kontorene (nederst til høyre) ved konstant utetemperatur på -25 0 C. Merk at tilluftstemperaturen dagtid (AHU) er 25 0 C. 22
23 6 Styringsalgoritme for nattkjøling Resultatene viser at nattkjøling bidrar sterkt til å bedre den termiske komforten dagtid i varme perioder. Imidlertid er det ikke trivielt å styre nattkjølingen optimalt. Dette da de klimatiske forhold og bruken påfølgende dag ikke er kjent. Om bygget kjøles for mye, vil det kunne medføre oppvarmingsbehov påfølgende dag, og følgelig økt energibruk. Om det kjøles for lite, vil det bli for varmt i lokalene. I Storbritannia er nattkjøling en vanlig strategi for å forbedre termisk komfort sommerstid. En algoritme som en har god erfaring med er gjengitt i Vedlegg B i publikasjonen Bygningsintegrert ventilasjon en veileder [3] Denne algoritmen kan benyttes som utgangspunkt for styringen av nattkjøling for Bygg C, Vestveien, Ski. 7 Referanser [1] Wachenfeldt B.J. (Mars 2007), Bygg C, Vestveien Ski Vurdering av energimålsetning, SINTEF Rapport SBF BY A07008 [2] Wigenstad T., Dokka T.H., Pettersen T.D., Myhre L. (2005) Energimerking av næringsbygg, SINTEF Rapport STF50 F05117 (kan lastes ned fra http://www.bygningsenergidirektivet.no/ ) [3] Peter G. Shild, Tor Helge Dokka, Mads Mysen og Per Olaf Tjelflaat (2003) Bygningsintegrert ventilasjon en veileder, Økobygg programmet mars 2003 (kan lastes ned fra http://www.byggforsk.no/prosjekter/hybvent/bygnintvent.pdf ) [4] ESRU (1999). ESP-r: a building and plant energy simulation environment, User Guide Version 9 Series, ESRU Publication, University of Strathclyde, Glasgow, United Kingdom [5] WIS (2005), Advanced Windows Information System (http://windat.ucd.ie/wis/html/index.html) [6] prns3031:2007 (Høringsutkast) Beregning av bygningers energiytelse Metode og Data (kan lastes ned fra http://www.standard.no/)