Intelligente Glasfacader - et eksperimentelt studium

Transkript

1 Intelligente Glasfacader - et eksperimentelt studium Frederik V. Winther PhD Stipendiat fvw@civil.aau.dk Aalborg Universitet Institut for Byggeri og Anlæg

2 Intelligente Glasfacader - et eksperimentelt studium Dagsorden Fremtidens energikrav Lav energi byggeri Definitioner Hvordan imødekommes kravene? Den statiske løsning Den dynamiske løsning Fokus på teknologierne Potentiale og fokus Styring og faldgrupper Den intelligente glasfacade har produktet en fremtid?

3 Fremtiden maksimale energibehov i det danske bygningsreglement 100 kwh/m² 80 kwh/m² 60 kwh/m² 40 kwh/m² 20 kwh/m² 0 kwh/m² BR ZEB

4 Zero Energy Buildings ZEB A ZEB is non grid connected building fully matching its annual energy needs/consumption by on-site generation fully based on renewables. Net ZEB A Net ZEB is a grid connected, energy efficient building that balances its total annual operating energy needs /consumption and associated carbon emissions by onsite feed-in credits. Focus of the on-site generation is matching the on-site load. Net ZE Cluster A Net ZE cluster is a network of buildings fulfilling the Net ZE definition not on the level of each building, but a cluster of buildings using the identical energy infrastructure. The clusters uses benefits from the economy of scale and levelling out the load and generation profiles of each building. Source: Per Heiselberg, Aalborg Universitet

5 Reduktion af energi behov - Typisk energi fordeling (2009) En typisk energifordeling for moderne kontorbyggeri I 2009 U-værdi: 1,5 W/m²K G-værdi: 0,6 30 % vinduesareal i forhold til gulvareal Energibehov: 96 kwh/m² pr år Cooling Lighting Misc. Ventilati on Misc. Lighting Heating Ventilation Cooling Heating

6 Energy demand in office buildings Varmetilførsel People Irradiance; 58% Equipment Lighting Ventilation Varmetab Infiltration Wall Ceiling Window; 36%

7 Intelligente Glasfacader - Statiske facade løsninger Teknologier Flerlags glassystemer Ædlere gas i hulrummet Ramme materialer med lavere varmeledningsevne Solafskærmende belægning med høj selektivitet

8 Intelligente Glasfacader - Statiske facade løsninger 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 Published: Winther, FV, Heiselberg, P, Jensen, RL, 2010, Intelligent Glazed Facades for fulfillment of future energy regulations 3 rd Nordic Passive House Conference

9 What we have done and what we should do?? Source: Marco Perino, Politecnico di Torino

10 Intelligente glasfacader - Dynamiske Facadeløsninger Den intelligent glasfacade skal kunne kontrollere: Varmetransporten Solindfaldet Energilagring Masse transport Lysniveau Indeklimaet og energibehovet for zonen nær facaden

11 Intelligente glasfacader - Dynamiske Facadeløsninger 100 kwh/m² 80 kwh/m² 60 kwh/m² 40 kwh/m² 20 kwh/m² Misc. Ventilation Plant Lighting Heating Cooling BR08 BR10 BR15 BR20 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 +E-Storage +airtightness U-værdi: 1,5 U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 Lt-værdi: 0,7 SEL: 0,5 SEL: 0,5 Lt-kontrol: K Lt-kontrol: K Termisk: Let Termisk: Tung Published: Winther, FV, Heiselberg, P, Jensen, RL, 2010, Intelligent Glazed Facades for fulfillment of future energy regulations 3 rd Nordic Passive House Conference

12 -Dynamisk U-værdi INTELLIGENTE GLASFACADER

13 Heat Transfer Control - dynamic solution

14 Intelligente glasfacader - Dynamiske Facadeløsninger 100 kwh/m² 80 kwh/m² 60 kwh/m² 40 kwh/m² 20 kwh/m² Misc. Ventilation Plant Lighting Heating Cooling BR08 BR10 BR15 BR20 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 +E-Storage +airtightness U-værdi: 1,5 U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 Lt-værdi: 0,7 SEL: 0,5 SEL: 0,5 Lt-kontrol: K Lt-kontrol: K Termisk: Let Termisk: Tung Published: Winther, FV, Heiselberg, P, Jensen, RL, 2010, Intelligent Glazed Facades for fulfillment of future energy regulations 3 rd Nordic Passive House Conference

15 Total U-value Dynamisk U-værdi - Variation af samlet U-værdi 2,7 W/m²K 2,4 W/m²K 2,1 W/m²K R(l=0.018W/mK,e=0.02m)=1.11 m²k/w R(l=0.039W/mK,e=0.05m)=1.28 m²k/w R(l=0.039W/mK,e=0.10m)=2.56 m²k/w 1,8 W/m²K 1,5 W/m²K 1,2 W/m²K 0,9 W/m²K 0.8 W/m²K 1.5 W/m²K 2.1 W/m²K 2.7 W/m²K 0,6 W/m²K 0,3 W/m²K 0,0 W/m²K 0,00 m²k/w 0,30 m²k/w 0,60 m²k/w 0,90 m²k/w 1,20 m²k/w 1,50 m²k/w Heat resistance

16 Model udvikling - 2 lags glas & polystyren Glass Cavity Shutter t sky t room (4) t surf (1) t cavity (2) t tech* (3) t tech t amb Inde U * win a conv,cav e surf a conv,cav e tech* 2 A A 4 P B Q Ude 2A z A 12 dyn 3 L d 1.5 n B d L R tech P g H a conv,amb t 1 e tech H 2 amb T t cavity cavity U Source: Air flow through cracks, P.H. Baker, S. Sharples, win I.C. Ward, Building and Environment SBi Anvisning

17 Isolans Dynamisk U-værdi - Krav til teknologi 1,50 m²k/w 1,20 m²k/w 0,90 m²k/w 0,60 m²k/w Større end 50% besparelse Mindre end 50% besparelse l=0,039w/mk m m m m m 0,30 m²k/w Mindre end 25% besparelse 0,00 m²k/w 0,00 l/s pr m² 0,50 l/s pr m² 1,00 l/s pr m² 1,50 l/s pr m² 2,00 l/s pr m² 2,50 l/s pr m² Lækage

18 Dynamisk U-værdi - Potentiale af teknologi

19 - Solafskærmning INTELLIGENTE GLASFACADER

20 Intelligente glasfacader - Dynamiske Facadeløsninger 100 kwh/m² 80 kwh/m² 60 kwh/m² 40 kwh/m² 20 kwh/m² Misc. Ventilation Plant Lighting Heating Cooling BR08 BR10 BR15 BR20 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 +E-Storage +airtightness U-værdi: 1,5 U-værdi: 1,5 G-værdi: 0,6 G-værdi: 0,6 Lt-værdi: 0,7 Lt-værdi: 0,7 SEL: 0,5 SEL: 0,5 Lt-kontrol: K Lt-kontrol: K Termisk: Let Termisk: Tung Published: Winther, FV, Heiselberg, P, Jensen, RL, 2010, Intelligent Glazed Facades for fulfillment of future energy regulations 3 rd Nordic Passive House Conference

21 Model udvikling - Dynamisk g-værdi BSim IES-VE Fs(as,hs)=Fs(0,0) Fs(40,10)=Fs(10,40)

22 Fs Model udvikling - Dynamisk g-værdi 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,90-1,00 0,80-0,90 0,70-0,80 0,60-0,70 0,50-0,60 0,40-0,50 0,30-0,40 0,20-0,30 0,10-0,20 0,00-0,10 h s -g f a s -a f

23 Solar shading coefficient [-] Model udvikling - Dynamisk g-værdi Sun x y Sun Y b l a* a b 2 x' 1 Fs_b Fs_d Fs Poly. (Fs_b) Poly. (Fs_d) Poly. (Fs) Sun 0,8 Y 2 0,6 0,4 Y 1 0, Slat angle [ ]

24 DESIGN OPTIMIZATION OF A CONTEMPORARY HIGH PERFORMANCE SHADING SCREEN- INTEGRATION OF FORM AND SIMULATION TOOLS Azadeh Omidfar, Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Sydney, November

25 -Forøgelse af den termiske masse INTELLIGENTE GLASFACADER

26 Experimental setup - PCM in glazing

27 Energibalance for glas - Potentiale in glas systemer Brug af PCM med høj faseskiftende temperatur kan reducere det maksimale kølebehov reduceret udsyn når materialet er translucent Brug af PCM med lav faseskiftende temperatur kan reducere varmebehovet Risiko for at materialet ikke skifter fase i dagtimerne

28 Energibalance for glas - Styring i forhold til Energy-mode Comfort-mode

29 Energibalance - Potentiale af styringsstrategi

30 Intelligente Glasfacader - Konklusion Fokus skal ikke kun være på U-værdi g-værdi men på hvordan facaden kan ændre karakteristika fx. Høj U-værdi til lav U-værdi Høj g-værdi til lav g-værdi

31 Intelligente Glasfacader - Diskussion: Design proces

32 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 Fremtiden for den dynamiske facade Kommerciel Prognose fremtid Lighting Equipment T_i T_ude Den dynamiske facade trodser grænser da den ikke kun tilpasser sig lovgivningen men klimaet og brugerne 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 5,0 Teknologierne tilknyttet 0,0 facadeelementet, kan opgraderes enkeltvis via netopdatering eller fysisk udskiftning 10,0-5,0 Heating Cooling Irradiance People load Kopiering af dette produkt vil være svært da der ligger rigtig meget viden gemt i styringen af facaden 3000 W 2500 W 2000 W 1500 W 1000 W 500 W 0 W -500 W W W W Bruger opfattelser Det handler Den dynamiske ligeså meget facades om fordele er at den tilpasser sig hvad der er inde i som om hvordan Omgivelserne Brugerens det ser behov ud Adaptiv styring bliver mulig Feedback fra brugeren kan bruges til at forbedre facaden Det giver lige pludselig mening hvorfor facaden skifter karakteristika

33 Intelligent Glazed Facades - an experimental study Frederik V. Winther PhD Fellow fvw@civil.aau.dk Aalborg University Department of Civil Engineering