2 Status for integrerede lavenergiløsninger til nye bygninger

Transkript

1 2 Status for integrerede lavenergiløsninger til nye bygninger 2.5 Installationer Tekniske anlæg til opvarmning, ventilation og køling af bygninger baseret på fossile og VE energikilder, herunder regulerings- og styringsautomatik og brugsvandsanlæg Køling af lavenergihuse Niels Bidstrup, Reto Hummelshøj, Søren Østergård, Henning Grønbæk Beskrivelse af delområde Køling af lavenergibygninger, boliger såvel som kontorer, har til formål at sørge for en komfortabel temperatur og temperaturfordeling indendørs om sommeren og under store interne varmebelastninger. Det forventes at kravet om køling vil stige i de kommende år. Dette skyldes folks højere komfortkrav (air-conditioning i biler, øget salg af split-units), fremtidig højere ude temperaturer på grund af global warming, problemet med heatislands i byer. Et kølesystem består af aggregater til fjernelse af varmen i rummet (luft eller vandbåret), energi transport systemet (pumper, ventilatorer, luftkanaler, rør net), køleaggregat (kølemaskine, evaporativ-køling, varmeveksler, varmepumpe, jordslanger, boringer, grundvand, aquifer etc.) Fra et energisynspunkt er det vigtigt at begrænse kølebehovet ved at begrænse belastningen fra ude klimaet (sol afskærmning, isolering, vindues størrelse og retning, etc). Desuden skal de interne varmelaster fra Pc er, lys og andet udstyr begrænses mest mulig ved at anvende lavt forbrugende aggregater, energipærer, etc Kølesystemets energi effektivitet er afhængig af hvor effektivt varmen fjernes fra rummet, energiforbrug til transport af varmen, samt effektiviteten af køleaggregatet.. Beskrivelse af delområdet, dvs. relation mellem køleanlæg og energiforbrug opdeles derfor i følgende punkter: a. Effektiviteten af rum kølingen b. Energiforbrug til transporten af varme fra rummet til køleaggregat c. Energiforbrug til køling Her følger en kort beskrivelse af hvert af disse 3 områder: A Effektiviteten af rum kølingen Hvor effektivt varmen fjernes fra rummet (rum konditionering) afhænger af typen af luftsystem og typen af vandbåret system. Med hensyn til luftsystemet henvises til strategien for ventilation. Ved luftkøling skal der dog som regel bruges mere luft end der er nødvendigt for at tilfredsstillende

2 kravene til en acceptabel luftkvalitet. En del af denne luftmængde kan dog være fra recirkulation eller afhængig af rum- og ude temperaturen en øget ude luftmængde (se strategi for ventilation). Ved vandbårne systemer er der tale om rør integrerede i bygningsdele som gulv, væg eller loft, nedhængte kølelofter eller kølebafler. Med undtagelse af kølebafler sker den største køling ved strålingsudveksling mellem de kølede flader og rummets overflader og med personerne. Det mest effektive er som regel at bruge loftsfladen, da her varmeovergangstallet er størst. Dog er gulvkøling mere effektiv i rum hvor der er direkte eller indirekte solstråling på gulvet (atrier, foyer, lufthavne mm). Energieffektiviteten øges ved at bruge så store overflader som muligt. Det medfører en lavere medietemperatur (vand) og dermed øget effektivitet af køleaggregaterne. Kølebafler bruger også vand til at transportere varmen fra rummet til køleaggregatet. Kølingen af rummet forgår ved kombineret stråling og konvektion (nedfald el. indblæsning af kold luft). Reguleringen spiller for vandbårne systemer en betydende rolle for at sikre at der ikke dannes kondensation på de kølede overflader eller rør. B.. Energiforbrug til transporten af varme fra rummet til køleaggregat Energiforbruget til transport af varmen fra rummet til kølemaskinen sker med luft eller med vand som varmebærende medium. Vand er den mest energirigtige måde at transportere varme. Der skal bruges mindre el-energi til at drive cirkulationspumperne end tilsvarende at drive ventilatorer. Desuden er dimensionerne af rørene med vand som medie betydelig mindre end for luft kanaler. Under energitransporten vil vandet eller luften blive opvarmet af omgivelser og dermed mindske kølekapaciteten. Det er derfor en energifordel i at anvende medie temperaturer tæt på omgivelsernes temperatur eller isolere fordelings nettet. Her er det vigtigt at tage højde for risikoen for kondensation på og i fordelingsnettet. C. Energiforbrug til køling Energiforbruget til køleaggregatet afhænger af typen af køling og medietemperaturen. Jo lavere medie temperatur desto højere energieffektivitet af køleaggregaterne (kølemaskine, varmedreven køling (sorptionskøling), evaporativ-køling, varmeveksler, varmepumpe) og bedre muligheder for at udnytte regenererbare køle koncepter (jordslanger, boringer, havvand, grundvand, aquifer etc). Selv om de eksterne belastninger på bygningen (solen og intern varmelast) reduceres, og selv om der anvendes "naturlig" køling ved hjælp af udeluft, grundvand, havvand, mm. vil der i mange tilfælge være behov for mekanisk køling. Der er derfor behov for en fortsat forskning og udvikling henimod mere energieffektive mekaniske køleanlæg. (se også strategi vedrørende solenergi)

3 Systemløsninger Køling i lavenergibygninger skal ved bygningsdesign forsøges begrænset mest muligt. Fjernelse af varmen fra rummet (rum-konditionering) kan ske ved: Vandbårne systemer: Kølebafler Nedhængte kølelofter Indbyggede rør i gulv, vægge og loft. TABS (termoaktive bygningsdele) Luftbårne systemer: Opblandet ventilation Fortrængningsventilation Posekøling Fjernelse af varmen fra bygningen kan ske ved: Varmepumper Absorptionskøling Evaporativ køling Udeluft Jordvarmeveksler I den følgende screening vil in SWOT-analyse af nogle af disse systemer blive præsenteret. For luftbårne systemer henvises også til Strategi for Ventilations anlæg Screening SWOT-analyse af kølebafler Styrker: Er hurtigt regulerende og resulterer derfor i en effektiv fjernelse af overskudsvarmen. Er fleksibel i forbindelse med fremtidige ændringer i bygningens indretning. Ingen behov for store luftkanaler. Lysarmaturer kan indbygges. Støjsvagt. Kan kombineres med frisklufttilførsel. Svagheder: Kan medføre træk ved for store kølebehov. Kræver et nedhængt loft (tabt rum højde). Der skal tages højde fro kondensation enten ved et anlæg til affugtning eller ved regulering af vandtemperaturen efter dugpunktet i rummet. Muligheder: Varme, ventilation og køling kan kombineres i et system og dermed billiggøre installationsomkostningerne væsentligt. Kan indsættes i de fleste typer af rum. Trusler: Kræver omhyggelig projektering for at sikre god termisk komfort uden træk.

4 SWOT-analyse af loftkøling med nedhængte loft paneler Styrker: Anvender store flader til køling og dermed lave medietemperaturer. Den største varmetransport er ved stråling så træk fra luftbevægelser undgås. Kan sammenbygges med akustik og lysarmaturer. Svagheder: Kræver et nedhængt loft, tabt rum højde. Kølekapacitet afhængig af dugpunkt. Ikke fleksibelt ved rum ændringer. Muligheder: Kan anvendes i alle typer af rum. I lavenergibyggeri er det muligt at anvende dette system også til opvarmning. Trusler: Kondensrisiko i områder med høj fugtighed og naturlig ventilation. SWOT-analyse af køling med indbyggede rør(gulv-loft-væg) Styrker: Anvender store flader til køling og dermed lave medietemperaturer. Den største varmetransport er ved stråling så træk fra luftbevægelser undgås. Ingen støj, ingen rengøring. Kan anvendes både til opvarmning og køling i lavenergi byggeri. Vand som energibærende medium. Svagheder: Begrænset kølekapacitet. Kølekapacitet afhængig af dugpunkt. Muligheder: Kan anvendes i alle typer af rum. Kan flytte varme fra et rum til et andet. Gulvkøling især egnet i atrier, foyer med store glaspartier og solstråling direkte på gulvet. Kan forskyde kølebehovet fra dag til nat timerne. Trusler: Kondensrisiko i områder med høj fugtighed og naturlig ventilation. SWOT-analyse af TABS Styrker: Anvender store flader til køling og dermed lave medietemperaturer. Den største varmetransport er ved stråling så træk fra luftbevægelser undgås. Ingen støj, ingen rengøring. Kan anvendes både til opvarmning og køling i lavenergi byggeri. Vand som energibærende medium. Kan præfabrikeres. Optager ingen plads Svagheder: Begrænset kølekapacitet. Kølekapacitet afhængig af dugpunkt. Ingen individuel rum regulering. Nødvendig med særlige akustiske løsninger. Muligheder: Kan anvendes i alle typer af rum. Kan flytte varme fra et rum til et andet.

5 Trusler: Kondensrisiko i områder med høj fugtighed og naturlig ventilation. Kræver omhyggelig design af bygning og system.. SWOT-analyse af luftkøling Styrker: Kan anvendes til ventilation, opvarmning og køling. Dækker et stort område for kølekapacitet. Bruger luft som energimedium, hvad der er energikrævende (ventilatorer). Svagheder: Kræver som regel et nedhængt loft og dermed øget byggehøjde. Risiko for træk ved fro høje luft hastigheder og lave tilluft temperaturer. Kræver filtre og rengøring Muligheder: Kan bruges i alle typer af bygninger Trusler: Stor generel utilfredshed med luftkonditionering på grund af støj og træk Koblinger Indenfor de nævnte områder ovenfor kan der i dag peges på en række koblinger mellem forskningen på universiteterne og de omtalte teknologiske udfordringer. A Fjernelse af overskudsvarme fra rummet Aalborg Universitet arbejder i forbindelse med et internationalt projekt i IEA regi med projekter, der omhandler bedre integration af ventilationssystem og bygningselementer med det formål at optimere passiv køling, nat køling af bygninger, forvarmning af ventilationsluft, m.m. I dette projekt i går også muligheder for anvendelse af nye materialer (phase change materials) til at forbedre mulighederne for høj termisk masse også i lette konstruktioner. COWI, ICIEE og BYG.DTU samt SPÆNCOM er i gang med undersøgelser (eksperimentelt og simulering) af mulighederne for at udnytte TABS til opvarmning og køling). Det udmøntes bl.a. i et demonstrationsprojekt i en ny bygning på Fyn. TI har også gennem mange år arbejdet med TABS BYG.DTU, SBI, ICIEE og COWI har et projekt til udvikling af et beregningsmodul til BSIM for integrerede vandbårne kølesystemer. B Energiforbrug til varmetransporten i fordelingssystemet Pumpefabrikanterne udvikler lavenergi pumper (Grundfos, Smedegård) Se Ventilation omkring lavenergi ventilatorer C Energiforbrug til køling TI har mange års erfaring indenfor optimering og energieffektivisering af køleanlæg. TI forsker og udvikler således indenfor naturlige kølemidler, køleanlæg med frikøling, varmedrevet køling, mm.

6 COWI mfl. i forbindelse med EU projekter og Nordisk enrgiforskning arbejder med grundvandskøling og energilagring i jord samt havvandskøling og varmedreven køling Behov og muligheder Det kunne også være interessant at se på muligheder for kombinerede systemer med både vand- og luftbåren køling, idet disse hver især har deres fordele og ulemper. I kontorer, skoler, m.m. vil der sjældent være behov for opvarmning i brugstiden. Her kunne det være interessant at udvikle systemer, der kan absorbere varmeoverskuddet i brugstiden og afgive det udenfor brugstiden ved at aktivere bygningens termiske masse bedre. Sådanne systemer kunne også anvendes i sommerperioden til passiv køling af bygningen eller til intern omfordeling af varme mellem syd- og nordvendte bygningszoner Fokusområder 3 Strategi for udvikling af integrerede lavenergiløsninger til nye bygninger Køling af lavenergihuse Strategiarbejdet vedrørende køling har identificeret et behov for en række projekter. Systemer til aktivering af termisk masse og omfordeling af varme/kulde internt og med omgivelserne/lagre. Udvikling af integrerede løsninger, hvor aktive bygningselementer sammen med varmeog ventilationssystemer integreres i et system, giver mulighed for yderligere forbedring af bygningens energimæssige funktion. I nogle få byggeprojekter er der allerede implementeret aktive bygningselementer som dobbeltfacader, termisk aktive dæk konstruktioner, underjordiske indtagskanaler til ventilationsluft, m.m., men den aktuelle viden om deres funktion og den bagvedliggende varme- og massetransportproces er begrænset. Projekter vil fokusere på at udvikle nye komponenter og systemer, forbedre mulighederne for beregning af deres funktion, forbedre projekteringsmetoder og styringsstrategier. Systemer til udluftning og nat køling af boliger. I lavenergiboliger vil behovet for køling bliver væsentligt forøget. Projektet vil udvikle enkle, billige systemer til automatisk udluftning og nat køling af bygninger, der kan opretholde et tilfredsstillende termisk indeklima selvom beboerne ikke er til stede.

7 Passiv køling i kontorbyggeri Projektets formål er at udvikle fremtidens løsninger til klimatisering af kontorbygninger og lignende bygninger, med fokus på at skabe et godt indeklima i sommerhalvåret med minimalt elforbrug. Ideen er at udvikle styringer og systemer, hvor effektiv mekanisk ventilation i vinterhalvåret kombineres med naturlig ventilation og god solafskærmning i sommerhalvåret i hybride, integrerede løsninger, hvor der under hensyn til bygningens udformning og varmebelastningerne opnås et godt indeklima med minimalt elforbrug til mekanisk udluftning og køling.