Bygningers indeklima og energiforbrug

Transkript

1 Tektonik Bygningers indeklima og energiforbrug Claus Topp Instituttet for Bygningsteknik Aalborg Universitet Design af bygninger - treenigheden Teknik Indeklima, energiforbrug og varmebalancer Kræfter, konstruktioner og ligevægt Materiale Form April 2004 Claus Topp Slide 2 1

2 Prestiges forlis, Spanien 2002 April 2004 Claus Topp Slide 3 Tagkollaps, Siemens Arena, Ballerup 2003 April 2004 Claus Topp Slide 4 2

3 Lidt baggrund Energiforhold 35% af energien til varme og ventilation Luftkvalitet 90 % af tiden indendørs (15 kg luft/døgn) Indeluft opleves dårligere end udeluft 35% oplever et bredt spektrum af gener Miljø Bæredygtig teknologi, globale påvirkninger Arbejdsmiljø Stigende krav til komfort og sundhed Større viden, nye stoffer Samfundsudvikling Atrier, overdækkede gågader, tunneler, stationer, m.v. Udfordringer mht. energi, komfort og sikkerhed April 2004 Claus Topp Slide 5 Indtag over et døgn 15 kg luft 1 kg mad 3 kg væske April 2004 Claus Topp Slide 6 3

4 Indeklima og energiforbrug April 2004 Claus Topp Slide 7 Dagens program Introduktion Bygningers indeklima Varmetransport i bygninger Bygningers energiforbrug Opgaveregning Præsentation af løsning April 2004 Claus Topp Slide 8 4

5 Hvorfor bygger vi huse? Bygningens hovedformål er at skabe beskyttelse mod det ydre klimas påvirkninger for mennesker og de aktiviteter, mennesker ønsker at udøve April 2004 Claus Topp Slide 9 Mål for design af bygninger Minimere energiforbrug under hensyntagen til Indeklima Holdbarhed Anvendelighed Plads, materialeforbrug, økonomi Designerens værktøjer Teknik Materialer Form April 2004 Claus Topp Slide 10 5

6 Hvorfor er indeklimaet vigtigt? Sundhed Allergi Astma Cancer SBS (Sick Building Syndrome) Produktivitet Hænger nøje sammen med velvære og sundhed April 2004 Claus Topp Slide 11 Indeklima Samlet vurdering af Termisk klima Atmosfærisk klima Lydklima Lysklima April 2004 Claus Topp Slide 12 6

7 Termisk indeklima Afhænger af de faktorer, der har indflydelse på menneskets varmeudveksling med omgivelserne Temperatur Lufthastighed (træk) Aktivitetsniveau Beklædning April 2004 Claus Topp Slide 13 Termisk komfort (ultrakort!) Ligesom tilfældet er for en bygning, består også en varmebalance for et menneske. Den interne varmeproduktion skal for at der er tale om termisk komfort bortskaffes således, at der består en temperatur på ca. 37 C indvendig i kroppen (den dybe kropstemperatur), samt omtrent C på hudoverfladen. OBS. Disse er nødvendige, men ikke tilstrækkelige betingelser for komfort. April 2004 Claus Topp Slide 14 7

8 Atmosfærisk indeklima Beskriver luftkvaliteten, dvs. luftens indhold af Gasser Partikler Vanddamp Lugtstoffer Mikroorganismer April 2004 Claus Topp Slide 15 Lyd og lys Støj og akustik Lyddæmpning af lokale Undgå støj fra naborum Belysning Give lys til arbejde Oplyse lokale på behagelig måde (undgå blænding, generende reflekser og flimmer) Vinduer skal give udsyn til det fri April 2004 Claus Topp Slide 16 8

9 Indeklima energiforbrug Temperatur Lys Frisk luft Lyd Fugtighed Varme Ventilation Energiforbrug! Belysning Køling Materialer Befugtning April 2004 Claus Topp Slide 17 Hvorfor er energiforbruget vigtigt? Miljøbelastning Forbrug af ikke-vedvarende energiressourcer Forurening af omgivelser Økonomi Drift, vedligehold og opførelse af bygninger og deres installationer April 2004 Claus Topp Slide 18 9

10 Bygningers energiforbrug Offices, schools, industrial facilities Other 30% Electric lighting 40% Heating and cooling 30% April 2004 Claus Topp Slide 19 Energi og effekt Varmetab eller varmetilskud er en øjeblikkelig effekt, der måles i W (Watt), W=J/s Varmeforbrug er en energimængde, der måles i J (Joule), J=W s Energi = effekt tid Effekt (W) Energi (J) tid (s) April 2004 Claus Topp Slide 20 10

11 Energi og effekt - eksempel En 100 W pære brænder i 5 timer Effekten er 100 W Tiden er 5 timer = s Energiforbruget er 100 W s = J = 1,8 MJ eller 100 W 5 timer = 500 Wh = 0,5 kwh Over en periode på 5 timer skal der tilføres 1,8 MJ (0,5 kwh) for, at pæren kan brænde med effekten 100 W Energiindholdet i en skive rugbrød er ca. 500 kj = 0,5 MJ. Der skal altså omsættes knap 4 skiver rugbrød for at levere den energimængde som pæren kræver i de 5 timer. April 2004 Claus Topp Slide 21 Varmetransport i bygninger Ledning Varmetransport ved direkte kontakt mellem molekyler, der overfører kinetisk energi til hinanden Konvektion Varmetransport mellem væg og strømmende medium Stråling Elektromagnetisk stråling, også kaldet langbølget eller mørk varmestråling mellem flader April 2004 Claus Topp Slide 22 11

12 Varmetransport gennem bygningskonstruktioner Afhænger af forskellen mellem inde- og udetemperaturen Afhænger af konstruktionens termiske egenskaber Varmekapacitet, c Varmeledningsevne, λ Varmetransmissionskoefficient, U-værdi April 2004 Claus Topp Slide 23 Varmekapacitet Beskriver et materiales evne til at lagre varme (termisk masse), måles i kj/kgk Vand har en varmekapacitet på 4,2 kj/kgk: 1 kg vand skal tilføres 4,2 kj for at hæve vandets temperatur 1 C Varmekapaciteten for byggematerialer ligger i intervallet 0,75-1,05 kj/kgk og derfor er det først og fremmest massen, der har betydning for varmekapaciteten En bygnings varmekapacitet har indflydelse på temperatursvingningerne i bygningen Lille termisk masse Stor termisk masse April 2004 Claus Topp Slide 24 12

13 Varmeledningsevne Beskriver et materiales evne til at lede varme, måles i W/mK Et materiales varmeisoleringsevne, R, afhænger af materialets tykkelse, d, og varmeledningsevne, λ: R=d/ λ God varmeisolering kan opnås ved stor tykkelse og/eller lille varmeledningsevne Aluminium har en varmeledningsevne på λ=209 W/mK, mineraluld har λ=0,039 W/mK Mineraluld er således mere end 5000 gange dårligere til at lede varme end aluminium April 2004 Claus Topp Slide 25 Varmetransmissionskoefficient Til at beskrive varmetransmissionen gennem en konstruktion anvendes konstruktionens U-værdi, måles i W/m 2 K U-værdien er omvendt proportional med varmeisoleringsevnen, R U-værdien angiver hvor stor en varmeeffekt, Φ T, der strømmer gennem 1 m 2 per grads temperaturforskel mellem inde og ude t i ( C) 1 m 2 t u ( C) Inde Φ T (W=J/s) =UA(t i -t u ) Ude April 2004 Claus Topp Slide 26 13

14 Transmissionstab - eksempel Varmetab gennem en væg Varmetab gennem et vindue U=0,2 W/m 2 K, A=1m 2 U=1,8 W/m 2 K, A=1m 2 10 C 22 C 10 C 22 C Φ T = UA(t i -t u ) Φ T = 0,2 1 (22-10) = 2,4 W Φ T = UA(t i -t u ) Φ T = 1,8 1 (22-10) = 21,6 W Vinduet giver også et varmetilskud fra solen April 2004 Claus Topp Slide 27 Varmebalance (ligevægt) En varmebalance for et rum eller en bygning udtrykker, at der er balance mellem varmetab og varmetilskud Varmetilskud fra solen, Φ sol Ude, t u Varmetab ved transmission, Φ T Internt varmetilskud, Φ i Inde, t i Varmetab ved ventilation, Φ v Opvarmning, Φ H Stationær varmebalance: Φ T + Φ v = Φ sol + Φ i + Φ H April 2004 Claus Topp Slide 28 14

15 Bygningers energiforbrug Offices, schools, industrial facilities Other 30% Electric lighting 40% Heating and cooling 30% April 2004 Claus Topp Slide 29 Bygningers mikroklima We must begin by taking note of the countries and climates in which homes are to be built if our design for them are to be correct. One type of house seems appropriate for Egypt, another for Spain.... one still different for Rome... It is obvious that design for homes ought to conform to diversities of climate. Vitruvius Architect, first century B.C. April 2004 Claus Topp Slide 30 15

16 Bygningens form, orientering og placering En bygnings form, orientering og placering har betydning for energiforbruget Solindfald Dagslys Varmetilskud Vindforhold Varmetab gennem utætheder i bygning) Naturlig ventilation April 2004 Claus Topp Slide 31 Udnyttelse af sol, vind og dagslys The Roman Atrium The Roman house was constructed to face inward as it generally had no windows at all, but drew its air and light from the openings of the atrium. The atrium was a perfect adaptation to the heat of the Mediterranean. It was open to the sky, letting fresh air in to circulate among the corridors and rooms. A small pool, would catch the rainwater. April 2004 Claus Topp Slide 32 16

17 Solstråling på bygninger - årsvariation 1 BTU = 0,29 Wh, 1 ft = 0,3048 m 1BTU/sq ft =3,16 Wh/m 2 April 2004 Claus Topp Slide 33 Solstråling på bygninger - dagsvariation Intensitet (W/m 2 ) Vandret Lodret syd Lodret vest Lodret nord Lodret øst Solstråling i Danmark 15. juni Klokkeslet April 2004 Claus Topp Slide 34 17

18 Udnyttelse af varmetilskud fra solen Dag Opsamle og lagre varmetilskud fra solen Forbindelse mellem glastilbygning og primær bygning Nat Afgive lagret varme ved stråling, konvektion og ledning April 2004 Claus Topp Slide 35 Bøgehusene, Greve April 2004 Claus Topp Slide 36 18

19 Passiv køling April 2004 Claus Topp Slide 37 Dagslys Udnyttelse af dagslys Lyse overflader Reflektere lyset så det trænger langt ind i bygning April 2004 Claus Topp Slide 38 19

20 Naturlig ventilation Udnyttelse af naturlige drivkræfter Termisk opdrift Vind April 2004 Claus Topp Slide 39 De Montfort University, Leicester, UK April 2004 Claus Topp Slide 40 20

21 Inland Revenue, UK April 2004 Claus Topp Slide 41 Barclaycard HQ, UK April 2004 Claus Topp Slide 42 21

22 Temperaturer i bygninger Nye bygninger, specielt kontorbygninger, risikerer overophedning om sommeren Stort varmetilskud fra solen pga. store glasarealer Stort internt varmetilskud pga. meget udstyr Meget isoleret og tæt bygning og dermed lille varmetab April 2004 Claus Topp Slide 43 Døgnmiddeltemperatur Døgnmiddeltemperaturen i en bygning en varm sommerdag kan tilnærmet beregnes af t i = t u Qi + Q + 24 ( H + H ) T sol v hvor t i og t u er hhv. inde- og udetemperaturen ( C) Q i og Q sol er hhv. den totale interne varmebelastning og det totale varmetilskud fra solen over døgnet (Wh) H T og H v er varmetabet ved hhv. transmission og ventilation per grads temperaturforskel mellem inde og ude (W/K) April 2004 Claus Topp Slide 44 22

23 Eksempel på temperaturberegning Sydvendt kontor, juni Gulvareal: 15,4 m 2 Vinduer: 6,4 m 2, U=1,8 W/m 2 /K, afskærmningsfaktor, f s =0,6 Facade: 2,6 m 2, U=0,3 W/m 2 /K Udetemperatur: t u =20 C Solindfald: 3020 Wh/m 2 Varmetilskud fra intern belastning: Q i =2464 Wh Varmetab ved ventilation: H v =18 W/K (54m 3 /h 1,4h -1 ) Døgnmiddeltemperatur i kontoret Qi + Qsol ti = tu + 24 t i ( H + H ) T Varmetab ved transmission: H T =1,8 6,4+0,3 2,6=12,3 W/K Varmetilskud fra solen: Q sol =6, ,6=11597 Wh Døgnmiddeltemperatur o = 20 + = 39, 3 C v (, + 18) April 2004 Claus Topp Slide 45 Reduktion af temperaturen Indetemperaturen kan reduceres ved Større ventilation Større solafskærmning Reduceret intern varmebelastning Fordobling af ventilation, H v =36 W/K t i o = 20 + = 321, C (, + 36) Fordobling af ventilation og større solafskærmning, f s =0,4 og Q sol =7731 Wh t i o = 20 + = 28, 8 C (, + 36) April 2004 Claus Topp Slide 46 23

24 Betydning af orientering Kontorets orientering har betydning for solindfaldet og dermed temperaturen Indetemperatur (C) Ventilationstab: H v =36 W/K Solafskærmning: f s =0,4 og Q sol =7731 Wh 20 Syd Øst/vest Nord April 2004 Claus Topp Slide 47 Opgave Beregning af døgnmiddeltemperatur i juni Beregn døgnmiddeltemperaturen for 2 kontorbygninger 1. L*B*H=20m*20m*12m, etageareal 1600 m 2 2. L*B*H=40m*10m*12m, etageareal 1600 m 2 For begge bygninger betragtes to situationer a) 50% af sydfacaden og 50% af nordfacaden er glas b) 50% af østfacaden og 50% af vestfacaden er glas 1 2 For begge bygninger gælder t u =20 C, solindfald: syd 3020 Wh/m 2, øst/vest 3580 Wh/m 2, nord 1730 Wh/m 2, f s =0.6 U-værdi for vægge, tag og terrændæk: 0,2 W/m 2 K U-værdi for vinduer: 1,4 W/m 2 K Intern varmebelastning: Q i =256kWh Ventilationstab: H v =2400 W/K April 2004 Claus Topp Slide 48 24

25 Fremgangsmåde Beregn areal af vinduer, A vin Beregn areal af væg+tag+terrændæk, A væg Beregn transmissionstab H T =U vin A vin +U væg A væg Beregn varmetilskud fra solen, Q sol = syd+øst+vest+nord Beregn indetemperatur Qi + Qsol ti = tu + 24 H + H ( ) T v April 2004 Claus Topp Slide 49 25