Lavere U-værdier fører til øget energiforbrug! Intelligente glasfacader et eksperimentelt studium

Transkript

1 Lavere U-værdier fører til øget energiforbrug! Intelligente glasfacader et eksperimentelt studium Fremtidens Workshop, Intelligente May 19-20, Glasfacader, Frederik V. Winther PhD student Environmental engineering, Aalborg University

2 Intelligente Glasfacader - et status billede Fremtidens energikrav De 3 nemme koncepter for reduktion af energibehovet Den statiske løsning til reduktion af energibehovet De intelligente koncepter for reduktion af energibehovet o Dynamisk U-værdi o Dynamisk G-værdi o Decentral ventilation o Energilagring o Lys styring Det videre forløb i mit PhD projekt

3 Fremtidens energikrav 100 kwh/m² 80 kwh/m² 60 kwh/m² 40 kwh/m² 20 kwh/m² 0 kwh/m² BR ZEB

4 Fremtidens energikrav og vi skal stadig bruge Be06

5 Reduktion af energibehovet Conditions: U-value: 1,5 W/m²K g-value: 0,60 Lt-value: 0,70 SFP: 2,1 kj/m³ Light control: Manual Thermal mass: Light Et typisk energibehov for moderne kontorbyggeri o U-værdi: 1,5 W/m²K o G-værdi: 0,6 o 30 % vinduesareal i forhold til gulvareal Total energibehov: o 96 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation 6

6 3 nemme koncepter - Forøg det opvarmede areal Forøg opvarmet etageareal med 100% for at sænke energibehovet fra 95 til 50 kwh/m2 pr år o Eksempelvis opvarmet parkerings-kælder o Under denne bygning er der m2 uopvarmet p- kælder potentiale? 7

7 3 nemme koncepter - Integrer vedvarende energikilder Hvis hele klimaskærmens areal bruges til implementering af alternative energikilder kan fremtidens energikrav overholdes Eksempelvis: o Solfanger o Solceller o Varmepumper At skelne mellem energibehov og energiforbrug 8

8 3 nemme koncepter - Reducer det transparente areal Reduceres det transparente areal i Be06 og dermed også dagslyset, kan energibehovet sænkes væsentligt Den mest betydningsfulde parameter i Be06 er glasarealet 9

9 Reduktion af energibehovet - den statiske løsning Conditions: U-value: 1,5 W/m²K g-value: 0,60 Lt-value: 0,70 SFP: 2,1 kj/m³ Light control: Manual Thermal mass: Light Et typisk energibehov for moderne kontorbyggeri o U-værdi: 1,5 W/m²K o G-værdi: 0,6 o 30 % vinduesareal i forhold til gulvareal Total energibehov: o 96 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation 10

10 Reduktion af energibehovet - den statiske løsning Ny U-værdi for vinduerne: 0,7 W/m²K o Bedre rammer o Bedre gas i hulrum o Lavere emissionsfaktorer o Bedre kantprofil o Flere lag glas 11

11 Reduktion af energibehovet - den statiske løsning Conditions: U-value: 0,7 W/m²K g-value: 0,60 Lt-value: 0,70 SFP: 2,1 kj/m³ Light control: Manual Thermal mass: Light Ændring i energibehov o Opvarmning 15 kwh/m² o Køling o +4 kwh/m² o Ventilation o Belysning o Diverse Total: -11 kwh/m² o 85 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 12

12 Daylight factor Reduktion af energibehovet - den statiske løsning Ny g-værdi for vinduerne: 0, o Ændret film på glas o Lavere lystransmittans Lt-value: 0,7 Lt-value: 0, Room depth 13

13 Reduktion af energibehovet - den statiske løsning Conditions: U-value: 0,7 W/m²K g-value: 0,25 Lt-value: 0,30 SFP: 2,1 kj/m³ Light control: Manual Thermal mass: Light Ændring i energibehov o Opvarmning o +4 kwh/m² o Køling 13 kwh/m² o Ventilation o Belysning o +16 kwh/m² o Diverse Total: +7 kwh/m² o 92 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 14

14 Reduktion af energibehovet - den statiske løsning Ændring af styring af belysning o Kontinuert Maksimale rumdybde o 2,5x rumhøjden Lys styring er kun effektiv i rum med godt dagslys 15

15 Reduktion af energibehovet - den statiske løsning Conditions: U-value: 0,7 W/m²K g-value: 0,25 Lt-value: 0,30 SFP: 2,1 kj/m³ Light control: Continuous Thermal mass: Light Ændring i energibehov o Opvarmning o +3 kwh/m² o Køling 1 kwh/m² o Ventilation o Belysning 21 kwh/m² o Diverse Total: -19 kwh/m² o 73 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 16

16 Den passive facade 100 kwh/m² 80 kwh/m² 60 kwh/m² 40 kwh/m² 20 kwh/m² Misc. Ventilation Plant Lighting Heating Cooling BR kwh/m² Basis Be06 U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 Lt-kontrol: M +lowu U-værdi: 0,7 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 Lt-kontrol: M +lowg U-værdi: 0,7 G-værdi: 0,25 Lt-værdi: 0,3 Lt-kontrol: M +IntLight U-værdi: 0,7 G-værdi: 0,25 Lt-værdi: 0,3 Lt-kontrol: K

17 Den passive facade Energibehovet er ikke optimeret i forhold til sæsonen Næsten alle løsninger er statiske. Bygningen forbliver passiv Det totale energibehov kan sænkes til 71 kwh/m² hvis lavenergi armaturer anvendes (5 W/m²) 18

18 The terminology intelligence is used to describe a very general mental capability that (...) involves the ability to reason, plan, solve problems, think abstractly, comprehend complex ideas, learn quickly and learn from experience Intelligent Glazed Facades [Mainstream Science on Intelligence] 19

19 Intelligente glasfacader Intelligente facader skal kontrollere o Varmetransport o Solindfald o Massetransport o Energilagring 20

20 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Dynamisk varmetransport o Isoleringsmateriale skal dække det svageste led o l=0,015 W/mK o Mindsker U-værdien væsentligt o 1,5 0,5 W/m 2 K ved 1,5 cm PUR Aktiveres udenfor brugstid når udetemperaturen er under et hvis niveau 21

21 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Conditions: U-value: 1,5 W/m²K - dynamic g-value: 0,60 Lt-value: 0,70 SFP: 2,1 kj/m³ Light control: Manual Thermal mass: Light Ændring i energibehov o Opvarmning 17kWh/m² o Køling 3 kwh/m² o Ventilation o Belysning o Diverse Total: -21 kwh/m² o 76 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 22

22 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Kontrol af solindfald o Styring i forhold til rumtemperatur o Aktiveres når solindfald på facaden er større end et givent niveau o Solindfald skal være større end intern belastning fra belysning o Skal kunne trækkes tilbage af hensyn til dagslys I praksis mulighed for manuel overstyring 23

23 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Conditions: U-value: 1,5 W/m²K - dynamic g-value: 0,60 - dynamic Lt-value: 0,70 - dynamic SFP: 2,1 kj/m³ Light control: Manual Thermal mass: Light Ændring i energibehov o Opvarmning o +3 kwh/m² o Køling 9 kwh/m² o Ventilation o Belysning o Diverse Total: -6 kwh/m² o 70 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 24

24 Decentral ventilation med varmegenvinding Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning 25

25 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Conditions: U-value: 1,5 W/m²K - dynamic g-value: 0,60 - dynamic Lt-value: 0,70 - dynamic SFP: 0,5 kj/m³ Light control: Manual Thermal mass: Light Ændring i energibehov o Opvarmning o Køling o Ventilation 19 kwh/m² o Belysning o Diverse Total: -19 kwh/m² o 51 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 26

26 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Ændring af styring af belysning o Kontinuert Maksimale rumdybde o 2,5x rumhøjden Lys styring er kun effektiv i rum med godt dagslys 27

27 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Conditions: U-value: 1,5 W/m²K - dynamic g-value: 0,60 - dynamic Lt-value: 0,70 - dynamic SFP: 0,5 kj/m³ Light control: Continuous Thermal mass: Light Ændring i energibehov o Opvarmning o +3 kwh/m² o Køling 1 kwh/m² o Ventilation o Belysning 13 kwh/m² o Diverse Total: -11 kwh/m² o 40 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 28

28 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Lagring af energi til minimering af varmebehov Lagring skal ske der hvor der er størst potentiale Lagringen skal ske i facaden idet varmetransporten her er størst 29

29 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Conditions: U-value: 1,5 W/m²K - dynamic g-value: 0,60 - dynamic Lt-value: 0,70 - dynamic SFP: 0,5 kj/m³ Light control: Continuous Thermal mass: Heavy Ændring i energibehov o Opvarmning 3 kwh/m² o Køling o Ventilation o Belysning o Diverse Total: -3 kwh/m² o 37 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 30

30 Temperature of material Temperature of material Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Dette kan ikke beregnes i Bsim Potentialet er ikke afdækket Dette kan beregnes i Bsim 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 Time Time Faseskiftende materiale - Integreret i glas / solafskærmning Specifik varmekapacitet 31

31 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning 100 kwh/m² 80 kwh/m² 60 kwh/m² 40 kwh/m² 20 kwh/m² 0 kwh/m² Basis U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 SEL: 2,1 Lt-kontrol: M Termisk: Let +dynu-val U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 SEL: 2,1 Lt-kontrol: M Termisk: Let +dyng-val U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 SEL: 2,1 Lt-kontrol: M Termisk: Let +DCVent U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 SEL: 0,5 Lt-kontrol: M Termisk: Let +LightCtrl U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 SEL: 0,5 Lt-kontrol: K Termisk: Let +E- Storage U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 SEL: 0,5 Lt-kontrol: K Termisk: Tung Misc. Ventilation Plant Lighting Heating Cooling BR08 BR10 BR15 BR20

32 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Det er umuligt at nedbringe energibehovet til overholdelse af fremtidens energikrav uden implementering af vedvarende energikilder ved en statisk facadeløsning Fremtidens facader skal kunne ændre funktion og karakteristika som funktion af bruger behov og muligheder fra mikroklimaet Tæthed bliver vital ved projektering af lavenergi kontorbyggeri. Ændring af infiltrationen fra 0,3/h til 0,15/h reducerer energiforbruget til opvarmning væsentligt! 33

33 Intelligente glasfacader - den dynamiske løsning Conditions: U-value: 1,5 W/m²K - dynamic g-value: 0,60 - dynamic Lt-value: 0,70 - dynamic SFP: 0,5 kj/m³ Light control: Continuous Thermal mass: Heavy Infiltration: 0,15/h Ændring i energibehov o Opvarmning 15 kwh/m² o Køling o +1 kwh/m² o Ventilation o Belysning o Diverse Total: -14 kwh/m² o 23 kwh/m² Cooling Lighting Misc. Heating Ventilation Reduction 34

34 January February March April May June July August September October November December January February March April May June July August September October November December Intelligente glasfacader - en anden løsning Cooling Heating Cooling Heating Lighting Ventilation Plant Lighting Ventilation Plant Misc. Misc. 12 kwh/m² 12 kwh/m² 10 kwh/m² 10 kwh/m² 8 kwh/m² 8 kwh/m² 6 kwh/m² 6 kwh/m² 4 kwh/m² 4 kwh/m² 2 kwh/m² 2 kwh/m² 0 kwh/m² 0 kwh/m² Den passive glasfacade ~96 kwh/m² Den intelligente glasfacade ~23kWh/m² 35

35 Timeline Experiments on technologies Optimization and correction according to results Development of algorithms for technology description Initial analysis 1 st facade concept 2 nd facade concept Demonstration of results Literature review Experimental cycle Analysis of potential for summer and of the glazed facade winter Thermal building simulations and energy calculations Experimental cycle for summer and winter Verification of model Application potential Final analysis of results Completion of PhD project Validation of algorithms Facade concept experiment Analysis of results from concept experiment 36

36 Experimental setup Two rooms in order to compare concepts 3 hypothesises will be tested 37

37 Experimental setup 38

38 Dynamic U-values for transparent parts gives a lower heating and cooling demand compared with low static U-values Intelligent Glazed Facades Hypothesis 1 39

39 Dynamic g-values can almost remove cooling demand as well as optimize energy demand for lighting compared with low static g-values Intelligent Glazed Facades Hypothesis 2 40

40 Decentralized ventilation combined with natural ventilation gives the lowest energy demand for ventilation in proximity to the facade Intelligent Glazed Facades Hypothesis 3 41

41 Intelligent Glazed Facades An experimental study Frederik V. Winther Thank you