Ny bruk av eldre bygninger; energi- og miljøutfordringer Gamle bygninger med nye klimainstallasjoner = energisluk? Tor Helge Dokka & Inger Andresen, SINTEF bygg og miljø, avd. Arkitektur og byggteknikk. Innledning Eldre bygninger har ofte dårlig isolerte konstruksjoner og vinduer, og er samtidig ofte veldig utette, med tilhørende stor infiltrasjon. Dette fører til bygg med stort oppvarmings- og energibehov. Nye moderne yrkesbygg er bedre isolert og har en tettere klimaskjerm, men har samtidig oftest energikrevende ventilasjons-, oppvarmings-, kjøle- og belysningsinstallasjoner. Tross bedre isolasjonsstandard og mer tett klimaskjerm er energibruken i moderne yrkesbygg (kontorbygg, skoler, helsebygg, o.l) omtrent lik eller høyere enn i eldre bebyggelse 1. Kobler man en eldre bygning med dårlig isolert og utett klimaskjerm sammen med kravet til moderne klimatisering i form av oppvarming, kjøling, ventilasjon og belysning, vil slike bygninger kunne bli potensielle energisluk. Når man samtidig vet at en alt større andel av byggeaktiviteten i Norge blir ombygging, rehabilitering og ny bruk av eldre bygg, ser man at det er viktig med fokus på energieffektive løsninger for slike byggeprosjekter. Denne artikkelen prøver å gi noen retningslinjer og råd om hvordan man kan oppnå energieffektive og miljøvennlig byggerier, når man bygger om eldre bygninger til ny bruk. Det er viktig å finne gode helhetlige løsninger som tar utgangspunkt i mulighetene til den gamle bygningen. Det er også viktig å ta hensyn til arkitektoniske og verneverdige sider ved den eksisterende bygningen, noe som kan være en stor utfordring bl.a. ved oppgradering av klimaskjermen. I andre tilfeller kan vernehensyn og energieffektive løsninger gå hånd i hånd.
Figur 1 Eksempel på dominerende ventilasjonsinstallasjoner i et gammelt bygg. Muligheter i mange eldre bygg Noen av mulighetene som kan utnyttes i gamle bygninger er: Mye termisk masse, dvs. tunge varmelagrende konstruksjoner i tegl, mur og betong, som kan brukes bevisst til klimatisering av bygget. Høye vinduer som gir god dagslystilgang. Stor takhøyde som er gunstig både når det gjelder luftkvalitet og termiske forhold. Eksisterende bygningsmessige kanaler (oftest avtrekkskanaler) som kan brukes i et naturlig-, hybrid- eller mekanisk ventilasjonsanlegg. Få og utprøvde materialer som gir liten forurensing til inneklimaet. Problemer og utfordringer i eldre bygg Vanlige problemer med gamle hus er: Dårlig isolert tak, gulv og yttervegger. Dårlig isolerte og trekkfulle vinduer. Verneverdige eksteriør (fasader) og interiør, som gjør det vanskelig å etterisolere bygninger, og eller skifte ut til bedre vinduer. Utilstrekkelig ventilasjon, og dårlig termisk komfort tilpasset ny bruk av bygget Fukt-, råte- og muggproblemer pga. av utette tak, dårlig drenerte grunnmurer og utilstrekkelig ventilerte kalde kjellere/kryprom. Uklok etterisolering kan øke problemet. Nye interne belastninger og nye krav til komfort gir stort behov for tekniske føringsveier, især ventilasjonskanaler. Dette kan være, og er ofte, et stort problem å få til i eldre verneverdige bygninger. Volumiøse og dominerende ventilasjonsinstallasjoner, som skjemmer interiøret (se figur 1) og i enkelte tilfeller eksteriøret til bygget. Dette er særlig et problem i verneverdige bygg. Etterisolering
Teknisk forskrift gir krav til U-verdi for yttervegger på maksimum 0,22 W/(m 2 K) for yttervegger og 0,15 W/(m 2 K) for tak og gulv. Ytterkonstruksjonene i eldre bygg har som regel langt dårligere varmeisolasjon. Etterisolering av yttervegger kan ofte være en spesiell utfordring på grunn av vernekrav eller estetikk. Det er også et forholdsvis kostbart tiltak. Etterisolering av golv og tak er som regel enklere, men vil ha temmelig liten energispare-effekt dersom bygget har mange etasjer (transmisjonsvarmetapet gjennom yttervegger vil da være dominerende). Ved vurdering av etterisoleringstiltak bør man ikke kun se på konstruksjonenes isolasjonsverdi i seg selv, men også tenke på konsekvenser for estetikk, verneverdi, innemiljø, og fukt/kondensfare. I tillegg må man vurdere alternative, avbøtende energisparetiltak. Hvis etterisolering av ytterkonstruksjonene er vanskelig eller av ulike grunner ikke ønskelig, slik at man ikke kan oppfylle U- verdi-kravet i byggeforskriften, kan man benytte seg av muligheten for å beregne energirammer eller varmetapsrammer for bygget. På denne måten kan man f.eks. la være å etterisolere yttervegger hvis man benytter høyisolerende vinduer eller et energi-effektivt ventilasjonssystem. Figur 2 Rehabilitert fasade i Christian Krogsgate 32. Utvendig etterisolering var her uaktuelt av vernehensyn. Innvendig etterisolering ble vurdert som lite hensiktsmessig fordi det ville gi liten energisparegevinst (små arealer, store kuldebroer) i forhold til kostnadene. Utbedring av vinduer En stor del av varmetapet i eldre bygg skyldes gjerne trekk gjennom uttette spalter mellom vinduskarm og ramme og mellom karm og vegg. Dette kan enkelt utbedres ved å montere nye tettelister mellom karm og ramme og dytt mellom karm og vegg. Eldre bygg har ofte vinduer med ett lag glass, dvs. at man har en U-verdi som ligger langt over kravet til nybygg (U-verdi rundt 5,0 W/(m 2 K) i forhold til et krav på 1,6 W/(m 2 K) for rom med innetemperatur over 20 C). Dersom det av ulike grunner ikke er ønskelig å skifte vinduet eller ruten (pga. estetikk,
vernehensyn, tekniske vanskeligheter, etc), kan montering av en ekstra rute innvendig være et godt alternativ. Hvis mulig, anbefales det å bruke en forseglet rute med LE-belegg og argongass som den indre ruten. Man kommer da ned i en U-verdi på 1,2 W/(m 2 K), som er godt under kravet til vinduer i nybygg. Dette kan være et aktuelt avbøtende tiltak hvis man ikke ønsker å etterisolere ytterveggen for å tilfredsstille kravet i byggeforskriften. Hvis man velger å benytte kun ett lag glass i den innvendige ruten, bør man velge et glass med LE-belegg for å oppnå en vesentlig forbedring av varmeisolasjonen. Dette belegget må være en spesiell type hardt belegg for å kunne tåle slitasjepåvirkning. Det harde belegget har imidlertid ikke like god effekt på reduksjon av varmeisolasjon som det myke belegget som benyttes i forseglede ruter. Dessuten har belegget den ulempen at ruten kan se litt skitten ut ved visse lysforhold. Koblede ruter og varevinduer vil også redusere trekkproblemer, samt gi mulighet for å legge solavskjermingen mellom rutene. Utvendig solavskjerming er mest effektiv for å hindre problemer med overoppheting og behov for kjøling. Utvendig solavskjerming blir imidlertid ofte et dominerende arkitektonisk element. Hvis den eksisterende fasaden har en spesiell karakter eller verneverdi, ønsker man derfor gjerne å unngå utvendig solavskjerming. Det nest beste med hensyn til å hindre overoppvarming, er å legge solavskjermingen mellom vindusrutene. Ved montering av varevindu eller koblet rute, er dette mulig. Selve solavskjermingen trenger ikke være dyrere enn vanlig innvendig solavskjerming, men installasjonskostnadene blir noe høyere fordi man må legge tilkoblingen til styremekanismen inne i rommet gjennom den indre rammen. Enhver solavskjerming vil redusere utsyn og dagslystilgang til rommet. Derfor vil en regulerbar solavskjerming være det beste. Man kan også benytte solavskjermingen til å reflektere dagslyset opp mot taket og lenger inn i rommet. Figur 1 viser et eksempel på en solavskjerming med et dagslysfelt i øvre del. Lamellene i øvre og nedre delen kan reguleres uavhengig av hverandre. Den øvre delen kan dermed brukes til å reflektere dagslyset innover i rommet, mens den nedre delen skjermer for blending og direkte solinnstråling. Dette er en enkel og elegant løsning som ikke er vesentlig dyrere enn konvensjonelle persienner. Figur 3 Persienne med dagslysfelt øverst. Tegning: Heidi Arnesen, NTNU. Utnyttelse av høye vinduer til dagslys Eldre bygg har ofte stor takhøyde og høye vinduer med innadskrånende vindussmyg, noe som gir gode dagslysforhold i bygget. Dette bør tas vare på og utnyttes. Flere undersøkelser har vist at god dagslystilgang innendørs har stor
innvirkning på menneskers trivsel og helse. Spesielt viktig er dette vinterstid, da vi oppholder oss mye innendørs og dagslystilgangen generelt er dårlig. Figur 4 Vindu i et gammelt bygg med innadskrånet smyg som gir gode dagslysforhold i rommet. Dagslyset kan også utnyttes til å spare energi til elektrisk belysning. Man kan installere systemer med dagslyssensorer som slår av eller dimmer den elektriske belysninger i takt med dagslystilgangen. Dette vil ikke bare redusere energibruk til belysning, men vil også redusere energibruk til kjøling, noe som kan være av stor betydning for bygg med store internvarmelaster fra lys og utstyr, som f.eks. kontorbygg. Ny bruk av eldre bygg vil ofte føre til at man benytter lokaler som tidligere ikke har vært benyttet til rom for varig opphold, f.eks. kjellerrom. Disse har ofte små vindusarealer, liten takhøyde, og dermed dårlige dagslysforhold. I henhold til TEK 8-35 skal rom for varig opphold ha tilfredsstillende tilgang på dagslys, med mindre oppholds- og arbeidssituasjonen tilsier noe annet. Tilfredsstillende dagslys er i REN veiledning definert som en dagslysfaktor (DF) på minimum 1 % midt inne i rommet, målt fra vindusfasaden og 1,0 meter fra sidevegg, i en høyde 0,8 meter over gulv. Dagslysfaktoren angir belysningen i prosent av den samtidige belysningen på en uskjermet horisontal flate utendørs ved jevnt overskyet himmel. Dette er nytt i forhold til 10%-regelen, som ble benyttet tidligere. Ved ny bruk av eksisterende bygninger vil det nye kravet kunne medføre tiltak for økt dagslystilgang, avhengig av bygningens eksisterende vindusareal, utvendig avskjerming, rommets refleksjonsforhold og form m.m. Overgangen fra cellekontorer til kontorlandskaper er typisk et tiltak som i denne sammenhengen vil medføre utfordringer mht tilfredsstillende dagslys. Utnyttelse av termisk masse, passiv kjøling Med termisk masse menes tunge bygningskonstruksjoner som er eksponert mot romluften. Eksempler er betongdekker uten nedsenket himling, betonggulv med tynt gulvbelegg (liten varmemotstand), vegger i betong, tegl eller lettklinkerbetong. Effekten av termisk masse er at temperatursvingninger dempes, og at det blir en faseforskyvning mellom maks varmelast og maks temperatur. Endel eldre bygg har tunge etasjeskillere og skillevegger og fasader i tegl. Hvis ikke disse bygges inne eller isoleres innvendig, kan man bruke disse konstruksjonenes varmelagringsevne til å dempe temperatursvingninger, redusere kjølebehovet, og til å overføre varme fra dagen (varmeoverskudd) til natten hvor det vanligvis er oppvarmingsbehov. Figur xx viser temperaturforløp i et normalt cellekontor på 12 m² med lett konstruksjon (lettvegger, nedsenket himling og
teppe på gulv) og ett med tung konstruksjon (eksponert betonghimling og tynt gulvbelegg). Som vi ser er maksimaltemperaturen 2-3 C lavere i det tunge rommet, og temperaturforløpet er mer stabilt over døgnet. Temperaturforløp tungt og lett rom Operativ temperatur ( C) 28 26 24 22 20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Klokkeslett Tungt rom Lett rom Figur 5 Temperaturvariasjon i et tungt- og et lett kontorrom. Figur 6 viser forskjell i kjøleeffektbehov mellom et lett og tungt rom (samme kontor) hvor man lar temperaturen gli opp til 24 C ved dimensjonerende sommerforhold. I det tunge rommet er det som vi ser ikke behov for lokal kjøling (f.eks. kjøletak), men kun sentral kjøling (kjølebatteri) av innblåst luft. 700 600 Kjølebehov (W) 500 400 300 200 100 Lokal kjøling Kjølebatteri 0 Lett rom Tungt rom
Figur 6 Differanse i kjøleeffektbehov (W) i et tungt og et lett rom. Simuleringer gjort med SCIAQ Pro. Figur 7 viser forskjellen i energibehov til oppvarming og kjøling (netto behov) for et lett og et tungt rom, der temperaturen kan flyte mellom 20 C (settpunkt oppvarming) og 25 C (settpunkt kjøling). Spesifikk energibruk kwh/m2 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 194 168 108 94 36 25 Oppvarming Kjøling Total energibruk Lett rom Tungt rom Figur 7 Differanse i energibehov til oppvarming og kjøling og total netto energibruk i et tungt og et lett rom. Simuleringer gjort med SCIAQ Pro. Selv om det er mange gunstige effekter ved utnyttelse av termisk masse, er det også noen ulemper: Ved temperatursenking om natten eller i helgen, vil temperaturen senkes sent og det går tregt å få temperaturen opp til komfortnivå etter senking (dette er selvsagt avhengig av installert oppvarmingseffekt). Effekten av temperatursenking er derfor dårligere enn for ett lett bygg. Eksponert betong, og tildels tegl og lettklinkerblokker, er harde overflater som absorberer lyd i liten grad. Dette gir lengre etterklangstid i slike rom, og kan derfor føre til dårligere akustikk. Dette er særlig et problem i store rom (lengre etterklangstid enn små rom), mens det sjelden er noe problem i kontorer (cellekontor) som er normalt møblert. På gulv vil eksponert betong, eller betong med tynt gulvbelegg kunne føles kaldt hvis skotøy ikke brukes. Utnyttelse av stor takhøyde Mange eldre bygg, særlig bygg fra 1950-tallet og eldre har i utganspunktet stor takhøyde og dermed også stort romvolum. Dette ble før brukt bevisst for å få akseptabel luftkvalitet og termisk komfort i lokaler med stor men ofte variabel personbelastning. Særlig kan man finne dette i eldre skoler og andre forsamlingslokaler. Stor takhøyde og stort romvolum kan sies å ha to effekter: En tidsavhengig effekt; når personer kommer inn i et stort rom vil det ta lengre tid før stasjonær (tidsuavhengig) konsentrasjon og temperatur nås enn i
et lite rom. Dvs. at store rom har en større buffereffekt for variabel personbelastning (og andre belastninger). En stratifiseringseffekt; i høye rom vil varmluftstrømmer fra personer og annet utstyr (f.eks. PC) føre til at forurensning og varme stiger opp mot himlingen. Hvis det ikke er lufttilførsel høyt i rommet (som det vanligvis er ved konvensjonell omrøringsventilasjon) vil dette føre til en stratifisering i rommet, med høyere konsentrasjon og temperatur i øvre del av rommet i forhold til den nedre delen av rommet (oppholdssonen). Denne effekten er størst når lufttilførselen til rommet er lavt i rommet, og luftavtrekk fra rommet er plassert høyt i rommet. Dette prinsippet kalles fortrengningsventilasjon, og er ofte brukt i rom med stor personbelastning (møterom, klasserom, etc.). Den tidsavhengige effekten og stratifiserings-effekten av stor takhøyde har også en samvirkende effekt: når det kommer personer inn i et rom (f. eks et klasserom) vil forurensningen fra personene transporteres opp til himlingen og danne et sjikt der. Tykkelsen på dette sjiktet vil med tiden øke, og komme nedover mot oppholdssonen. Men det kan ta betydelig tid før dette forurensede sjiktet når helt ned til oppholdssonen. I rom med variable belastninger, som i klasserom, vil dette kunne gi akseptabel luftkvalitet selvom tilførte luftmengder er relativt små (mindre enn forskriftskravet på 7 l/s pr. person). Figur 8 Viser målt CO 2 konsentrasjon i en konserthall som funksjon av høyde over gulvet (Palonen et al.). CO 2 konsentrasjon er ca. tre ganger så høy i avtrekket ved himling som i oppholdssonen (1.2-1.8 meter over gulvet). Konserthallen har fortrengningsventilasjon og relativt stor takhøyde. Ulempen med stor takhøyde og stort romvolum er fare for lengre etterklangstid og dermed dårligere akustikk. Varmebehovet vil også øke noe i oppvarmingssesongen, pga. at varmen samler seg ved taket. Alternative ventilasjonsløsninger I mange eldre bygg vil det være meget problematisk å installere et konvensjonelt mekanisk ventilasjonsanlegg, med dets krav til tekniske føringsveier. Konvensjonell mekanisk ventilasjon med store luftmengder og høyt trykktap fører ofte til høyt energibehov til transport (vifter), oppvarming og kjøling av lufta.
Alternative ventilasjonsløsninger der man forsøker å redusere luftmengdebehovet, redusere behovet for luftbehandling, og redusere behovet for tekniske føringsveier, bør vurderes spesielt ved nybruk-prosjekter. Figur 9 Eksempel på en alternativ ventilasjonsløsning, hvor luften tas direkte inn gjennom fasaden, og forvarmes i en konvektor før den tilføres rommet. Oppsummering For å få et energieffektivt bygg med godt inneklima er det viktig at man har en integrert angrepsmåte der man ser ventilasjon, bygningskropp, belysning, o.l. i sammenheng. Typisk fremgangsmåte ved integrert design er: Se om det er praktisk mulig å redusere/eliminere kuldebroer og å bedre isolasjonsevnen til vinduer uten at dette går utover verneverdige og arkitektoniske hensyn. Dette er viktig for å unngå kalde gulv (kuldebroer) og kaldras fra vinduer, men også for å gjøre bygget mer energieffektivt. Reduser luftmengdebehovet ved å: bruke lavemiterende (lavt forurensende materialer), reduser kjølebehovet og dermed luftmengdebehovet, bruk et ventilasjonsprinsipp med høy ventilasjonseffektivitet, bruk av overstrømingsløsninger til korridorer, toaletter, kopirom, o.l. Bruk fortrengningsventilasjon (friskluft tilført i gulvhøyde med lav impuls/hastighet og 2-4 C undertemperatur) som er meget gunstig med hensyn på god luftkvalitet i pustesonen (høy ventilasjonseffektivitet) og som også fjerner varme fra rommet effektivt. Fortrengningsventilasjon sammen med stor takhøyde er meget gunstig. Minimer horisontale luftføringsveier i så stor grad som mulig. Se om det er mulig å ha føringsveier og lufttilførsel i forbindelse med fasaden. Figur 9 gir eksempel på en tilluftskonvektor hvor luften kan tas direkte inn gjennom fasaden. Bruk overstrømningløsninger fra rom med høyt krav til luftkvalitet (kontorer, klasserom, møterom, etc.) til rom med mindre krav til luftkvalitet (korridorer, trapperom, toaletter, kopirom, o.l.). Slik kan man utnytte bygningskroppen som luftføringsvei og gjenbruke behandlet luft. Minimer internlaster og solbelastning i kjølesesongen i så stor grad som mulig. Moderne belysningssystemer og solavskjerming gjør det mulig å redusere denne varmebelastningen til et minimum. Se om det er mulig å greie seg uten mekanisk kjøling, ved å redusere varmebelastningen, utnytte termisk masse, og bruke nattventilasjon (frikjøling). Se om det er praktisk mulig å redusere/eliminere kuldebroer og å bedre isolasjonsevnen til vinduer uten at dette går utover verneverdige og arkitektoniske hensyn. Dette er viktig for å unngå kalde gulv (kuldebroer) og kaldras fra vinduer, men også for å gjøre bygget mer energieffektivt.