Forskningssenter for miljøvennlig energi Zero Emission Buildings Anne Grete Hestnes Professor, Fakultet for arkitektur og billedkunst, NTNU Faglig leder, ZEB
Innhold Klimanøytrale bygg: -hvorfor -hva - hvordan Noen eksempler Hva vi gjør i FME-ZEB Solar Ship, Freiburg. Arkitekt: R.Disch
Hvorfor: Klimaendringene +++ Hundreds gather to protest global warming
Reduserte klimagassutslipp World abatement of energy related CO 2 emissions in the 450 Scenario:
Dvs. Nulllutslippsbygg Hvorfor: Bygninger forårsaker ca 40 % av alle klimagassutslipp (i et globalt og europeisk perspektiv). FNs klimapanel viser til at klimatiltak i byggsektoren er de mest lønnsomme (sammenliknet med de andre viktige sektorene).
Hvor er det lønnsomt å ta kuttene? Kostnader ved ulike klimatiltak i Europa, 2030. Kilde: McKinsey (2009) 6
EU på vei mot nullutslipp EUs 20-20-20 mål i 2020: 20 % energy efficiency 20 % new renewables 20 % GHG reduction EPBD Recast: Nearly zero energy buildings innen 2020 7
Vi også? Lavenergiutvalgets rapport, august 2009: Anbefalt forhåndsannonsert trinnvis skjerping. Skjematisk framstilling av hvordan man trinnvis kan skjerpe energikravene fra TEK08-nivå til nullenerginivå i 2027. Kilde: Lavenergiutvalgets rapport, 2009
Klimagassutslipp fra norske bygg Energibruken i den norske byggsektoren utgjør omlag 80 TWh per år. Av denne energibruken er ca 80 % basert på elektrisitet. Klimagassutslippene knyttet til elektrisitetsproduksjon i Norge er svært lave, noe som tilskrives at tilnærmet hele produksjonen er vannkraftbasert. Klimaeffekten av frigjort elektrisitet ved energieffektivisering skiller seg ikke fra effekten av å erstatte elektrisitetsforbruk med eksempelvis biobrensler, eller effekten av ny elektrisitet ved produksjon av vindkraft. Ny elektrisitet fra gasskraftverk med CO 2 -behandling (rensing, lagring), gir økte klimagassutslipp innenlands.
Effekten av redusert energibruk Potensial for reduksjon av nasjonale klimagassutslipp ved betydelig energieffektivisering mot 2020: Effekt av energieffektivisering Fordeling av sparepotensial (12,2 TWh) Reduserte CO 2 utslipp per år i 2020 Elektrifisering av personbilparken 1 TWh 1,2 millioner tonn Elektrifisering av offhore virksomheten 5,4 TWh 3,2 millioner tonn Utfasing av oljefyring 5 TWh 1,3 millioner tonn Mindre behov for fjernvarme 0,8 TWh 0,2 millioner tonn Sum 12,2 TWh 6 millioner tonn
Nullutslippsbygg på vei inn i nasjonale krav/målsetninger Kilde figur: Karsten Voss, Wuppertal University.
Hva betyr null? Kilde: I.Sartori
Hva gjør vi: FME- senteret ZEB Fakultet for arkitektur og billedkunst ved NTNU er vertskap for et nasjonalt forskningssenter som vil plassere Norge i front innen forskning, innovasjon og implementering mht bygninger med svært lavt energibehov og uten netto klimabelastninger. 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.
De andre FME-ene: Norwegian Centre for Offshore Wind Energy (CMR) BIGCCS Centre International CCS Research Centre (SINTEF Energiforskning) Subsurface CO2 storage Critical Elements and Superior Strategy (CMR) Research Centre for Offshore Wind Technology (SINTEF Energiforskning) Centre for Environmental Design of Renewable Energy (SINTEF Energiforskning) The Norwegian Research Centre for Solar Cell Technology (IFE) Bioenergy Innovation Centre (UMB) The Research Centre on Zero Emission Buildings (NTNU)
Vårt mål/vår definisjon: 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 ZEB
Vår utfordring Kompensere klimagassutslipp fra produksjon av materialer og bygg ved å produsere mer energi enn bygget behøver til drift. NFE-T: Ny fornybar energi til termisk behov Kilde: Tor Helge Dokka, SINTEF
Redusert energibruk + energiproduksjon Og svaret bør i de fleste tilfeller være lokal produksjon på eller i nærheten av bygget. Jernbanestasjon, Berlin. Foto: Hestnes. Preikestolhytta. Arkitekt: Helen&Hard
Vår strategi: Den mest miljøvennlige kilowatttimen er den som ikke blir brukt! (Tilført energi) Fornybar energi Energistyring Energigjenvinning Energireduksjon Modifikasjon av YITs energinøytrale pyramide
Første skritt redusert behov Dvs. minst lavenergi og passivhus Ladeveien 20, Oslo. Foto: Stein Stoknes Passive boliger i Nederland og i Norge Kilde: SINTEF
Neste skritt energiproduksjon (fornybar energi) Miljøbelastning ved bruk av ulike energikilder: UTSLIPP [CO 2 ] FRA ULIKE ENERGIKILDER Gram CO2 pr. levert kwh energi 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Sol Bio Elektrisitet, vannkraft Fjernvarme (landssnitt) Varmepumpe, el fra gass uten CO2 fangst LNG Gass direkte bruk Fyringsolje, propan etc. Elektrisitet, via gasskraft uten CO2 fangst Kilde: Tore Wigenstad, SINTEF
Termiske solenergianlegg I hovedsak for varmtvann.. og kanskje for kjøling Tyrkia Tyskland Bygningsintegrasjon = bedre lønnsomhet! Norge Illustrasjon: Maria-Cristina Munari-Probst
Og solceller: Fremtidens bygninger vil ha et betydelig mindre behov for tilført energi. Men, de vil fremdeles ha noe behov for energi til belysning og til å drive vifter, pumper, og annet utstyr. Dvs. fremtidens bygninger vil i all hovedsak ha behov for elektrisitet! Og igjen, bygningsintegrasjon
Vind Urban turbines Vindmøller plassert på taket av en boligblokk i Chicago. Arkitekt: Helmut Jahn Slike installasjoner krever relativt høye bygninger og en gjennomsnitts vindhastighet over 4 m/s. Altså noe begrensede bruksmuligheter. Kilde: Karsten Voss, Wuppertal University
Klimagassutslipp fra produksjon av materialer og bygg må også minimeres. I alle tilfeller livsløpsbetraktninger ved materialvalg - dvs. fra vugge til grav : energiinnhold i materialene (produksjon av byggevarer, transport av byggevarer, byggevirksomhet) Laftehus, Sverresborg Folkemuseum Kilde: A.S.Nordby, NTNU materialenes effekt på energibruk i driftsfasen gjenbruk Klosterenga, Oslo Kilde: GASA Arkitekter
Dvs. mange tiltak må til: 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 vurdere materialbruken. Vi må se på sammenhengen mellom bygninger og transport. Kilde: T.H.Dokka etc.
Nullutslipp få reelle eksempler så langt Marché International Support Office, Zürich architect: Beat Kämpfen, Zürich Solarfabrik, Freiburg architecture: Rolf & Hotz, Freiburg energy design: Stahl & Weiss, Freiburg NREL Research Support Facilities RNL Design/ Shanti Pless Green lighthouse, København www.velfac.dk
Nullutslipp få reelle eksempler så langt Avhenger av hva som menes med null. architect: Beat Kämpfen, Zürich Arkitekt: Rolf Disch Solar Settlement Freiburg www.velfac.dk VELFAC s Active house, Lystrup, Danmark
ZEB et landslag: Forskning og undervisning Produsenter av bygningsmaterialer og bygningsprodukter Entreprenører, rådgivende ingeniører, arkitekter Bransjeorganisasjoner Eiendomsforvaltere og brukere Offentlig forvaltning NTNU 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
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
ZEB - Ekspertise og omfang For å nå målene i ZEB består senteret av eksperter innenfor material-, bygnings- og energiteknologi, arkitektur og samfunnsvitenskap, og vil dekke hele verdikjeden av aktører innenfor den norske byggesektoren. Senteret har en varighet på 8 år (5 + 3), og et totalt budsjett på ca 300 millioner kroner. Senteret skal demonstrere ZEB-konsepter i minst 6 pilotbygg, som skal bygges og etterprøves i løpet av prosjektperioden. Blant pilotbyggene skal det være både boliger og yrkesbygg, og både nye og eksisterende bygg. Pilotbygg initiert av partnerne, og bygg hvor myndighetene vil vise at de går foran og har høye miljøambisjoner, vil bli prioritert.
Hvordan oppnå ZEB? Senteret har organisert arbeidet i fem store arbeidspakker, som alle avhenger av hverandre: 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
WP1 Avanserte materialer Hovedmål: 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)
New concepts for insulation materials T = 300 K Air Vacuum Insulation Materials (VIM) Nano Insulation Materials (NIM) Gas Insulation Materials (GIM) Dynamic Insulation Materials (DIM) Moisture Air Gas Thermal Conductivity (mw/(mk)) 30 25 20 15 10 5 0 10 5 10 4 10 3 Pore Diameter (nm) 10 2 10 1 10 0 10 2103104 10 1 10 0 10-1 10-2 10 5 Pore Pressure (Pa) 0 5 10 15 20 25 30 Open Pore Structure VIP Closed Pore Structure NIM
Energy storage materials Phase Change Materials (PCMs): Phase change materials (PCMs) are regarded as a possible solution for reducing the energy use in buildings. By storing and releasing heat within a certain temperature range, it raises the building inertia and stabilizes indoor climate. A review of materials that may improve the conductivity of PCM has been carried out. Testing Dupont s PCM panels used in a well insulated wall (300mm insulation) in a hotbox is in progress.
Energy production solutions Solar cells Solar thermal collectors Ref: http://visual.merriam-webster.com/
WP2 Teknologier for adaptive og energikonverterende klimaskall Hovedmål: 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 (også ved rehabilitering) utvikle robuste byggdetaljer for nye løsninger/konstruksjoner integrere energiproduserende elementer i bygningsskallet laboratorietesting i forhold til varmetekniske egenskaper, bestandighet, fuktproblematikk, klimapåkjenninger Marché International. Foto: A.G.Lien
Some results: Optimal thermal performance: The potential and limitations of vacuum insulation panels (VIPs) in building envelopes have been investigated in the laboratory. This has resulted in knowledge about how to stack VIPs in a construction in order to achieve lowest possible U-values and about how to apply VIPs in retrofitting of wooden constructions to avoid condensation and moisture problems. VIP ageing models, which are crucial for VIP performance in a life perspective, have been made and verified. Integration of elements in the building envelope: An experimental investigation in the hot-box of PCMs in a traditional Norwegian wall constructions has been performed. The results confirm that the PCM reduces temperature peaks, thereby improving thermal comfort. Daylighting and solar shading systems: A workshop with Snøhetta has been conducted on the topic of how to join principles for good energy design and best possible daylight and solar shading conditions. The focus will be on the development of a daylighting design method for facades with a high degree of outdoor obstruction.
Ageing Effects* on - thermal properties - service life of - Vacuum Insulation Panels (VIPs) Air and Moisture Penetration VIP Blister Formation Accelerated Climate Ageing of VIPs - Integrated in Construction (left) - Direct Climate Exposure (right) *E. Wegger, B. P. Jelle, E. Sveipe, S. Grynning, A. Gustavsen, R. Baetens and J. V. Thue, "Ageing Effects on Thermal Properties and Service Life of Vacuum Insulation Panels", Accepted for publication in Journal of Building Physics, 2009.
WP3 Energiforsyning og tekniske installasjoner Hovedmål: 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
Noen foreløpige vurderinger - av aktuelle energiforsyningssystemer Modne løsninger: Bioenergi - kan dekke mange av dagens behov Varmepumper - kan dekke behovet for både varme og kjøling Fjernvarme - kan være aktuelt i urbane strøk med høy tetthet Termiske solenergisystemer - kan dekke behovet for varmt vann og der det er behov for oppvarming sommerstid Solceller - foreløpig kostbare Nisjer: Mikro vind turbiner krever en viss bygningshøyde og vindhastighet Systemer for ekstern energitilførsel: CHP og brenselsceller trenger en fornybar energikilde: hydrogen/biogass/biofuel Første versjon av en metode for vurdering av ulike forsyningssystemer er utviklet og følgende kriterier foreslått: Klima og bygningsintegrasjon Dekningsgrad Robusthet/bestandighet Load management/mismatch Økonomi CO 2 utslipp
Noen foreløpige konklusjoner - ang. tekniske installasjoner Ventilation New motor technologies improves the fan efficiency considerably, specially for smaller fans Solutions for VAV needs improvements of efficiency in part load operation Ventilation rates prescribed in standards are barriers against pragmatic ventilation control with combined CO2 and temperature control. Heat recovery from exhaust air is upward limited to 90 % efficiency Thermal environment/space heating Earth coupling and/or free cooling in combination with thermo-active elements meets cooling demands Simplified hydronic heating systems or warm air heating costs less Lighting Fluorescent lamps is the benchmark for energy efficient light sources today. Solid state lighting (LED and OLED) will improve further, more lumen/w and decreasing cost. Combination of more eff. light sources, non-uniform lighting designs, occupancy scheduling and daylight harvesting could, within the next 10 years, provide savings of up to 90 %. Domestic hot water Up to 50 % energy could be saved through heat recovery Instant heaters saves energy but requires high heating power
Noen vurderinger - ang. simuleringsverktøy Simulation tools are necessary for ZEB concept for: Concept development Assessment of total energy use and CO2 emissions Strategies for lifetime commissioning Reliability, uncertainty, and sensitivity analysis There is no best program for ZEB; different tools cover different issues! Difference should be made between programs for concept development and for practical implementation. For new technologies and system configurations in ZEB solutions, program integration is necessary. BIM can encourage performance tracking from design to operation.
WP4 Bruk, drift og implementering Hovedmål: Ny kunnskap om energibruk, drift og implementering av ZEB som skal sikre at ZEB oppnås. Eksempler på sentrale oppgaver: - 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
Resultater så langt: Surprising lack of empirical knowledge about building performance Research knows next to nothing about the dynamics between (near) zero emission buildings and - the social and cultural context of the building: how building performance is influenced by what people do in these buildings and by their environmental attitudes - architectural qualities: how is building performance influenced by the aesthetics and the functions of the building - time: how building performance is influenced by the fact that both buildings and users change over time Little knowledge also concerning the gaps between expected and measured performance of buildings A rapid evolution of professional energy management In general: Building operation has changed from a Cinderella job done by cowboys to a Cinderella job done by professional Cinderellas.
WP5 Konsepter og strategier for ZEBs Hovedmål: 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
CO 2 -utslipp i driftsfasen - i stor grad avhengig av valg av CO 2 faktorer! 60 Klimagassutslipp for alle prosjektene 50 [kg CO 2 /m 2 /år] 40 30 20 10 EL lav, FV lav EL høy, FV høy 0 Kilde: I.Andresen, SINTEF
Pilotbygg Pilotbygg foreløpig under vurdering: - Boligområde i Bergen (ByBo) - Framsenteret i Tromsø (Statsbygg) - Kontorbygg i Stavanger (YIT) - Kontorbygg i Arendal (Skanska) -.. -.
Pilotbygg - ambisjonsnivå PH: Passivhus: Totalt energibruk under halvparten av dagens minstekrav. ZEHB: Zero Emission Heating Building: Enda litt bedre energistandard på konstruksjoner og installasjoner enn for passivhus, samt at hele varmeforsyningen er basert på fornybar energi (ingen utslipp av klimagasser i forbindelse med oppvarming av bygget). Medfører valg av "state-of-the-art" løsninger for bygningstekniske og installasjonstekniske løsninger, samt ekstra innsats i prosjektering og bygging. ZEB-O: Zero Emission Building - Operation: Bygg med minst like god energistandard som ZEBH, og med all energiforsyning til drift basert på fornybar energi. ZEB-O&M: Zero Emission Building - Operation & Materials: Bygg med minst like god energistandard som ZEB-O, og med all energiforsyning til drift basert på fornybar energi. I tillegg skal bygget levere nok fornybar energi til at det kompenserer for energibruk og tilhørende klimagassutslipp fra produksjon og avhending.
Strategier for implementering av ZEBs
ZEB Ledelse og kontaktpersoner Senterledelse: Faglig leder: Professor Anne Grete Hestnes, NTNU Daglig leder: Seniorforsker Anne Gunnarshaug Lien, SINTEF Arbeidspakkeledere: WP 1 Avanserte materialteknologier: Professor Arild Gustavsen, NTNU WP 2 Teknologier for adaptive og energiproduserende klimaskall: Forskningsleder Berit Time, SINTEF WP 3 Energiforsyning og styringssystemer: Professor 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 EU-kontakt: Professor Øyvind Aschehoug, NTNU Industrikontakt og laboratorieansvarlig: Forskningsdirektør Terje Jacobsen, SINTEF www.zeb.no
Solar Ship, Freiburg Architect. R.Disch Det finnes kanskje bedre løsninger