Termisk masse og varmeakkumulering i beton Teknologisk Institut, Byggeri, Beton, Lars Olsen Bygningsreglementets energibestemmelser Varmeakkumulering i beton Bygningers varmekapacitet Bygningers energibehov Konklusioner Termisk masse og varmeakkumulering i beton 1
Termisk masse og varmeakkumulering i beton Beton og energibestemmelser Varmeakkumulering i bygninger (passive og aktive systemer) Indeklima Varmetab (flader og linjetab) Tæthed af bygninger Termisk masse og varmeakkumulering i beton Påvirkning af energiforbrug Ventilation (VGV) Solindfald Transmissionstab Varmeakkumulering Køkkenudstyr Personer Radiator Elektronik Infiltration (Lufttæthed) 2
Varmeakkumulering i beton, materialeegenskaber ρ Nr. Materiale Densitet Varmeledningsevne Varmekapacitet Varmekapacitet pr. volumen? λ c p c p ρ d kg/m 3 W/mK J/(kg K) MJ/(m 3 K) J/(m 2 K s ½ ) 1 Beton 2400 2,1 1000 2,40 2245 2 Letbeton 1800 0,8 1000 1,80 1200 3 Tegl 1800 0,62 840 1,51 968 4 Letklinkerbeton 1200 0,4 1000 1,20 693 5 Gipsplade med papir 900 0,25 1000 0,90 474 6 Porebeton 700 0,19 1000 0,70 365 7 Letklinkerbeton 600 0,17 1000 0,60 319 8 Træ 500 0,13 1600 0,80 322 Temperatur 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0-0,20-0,40-0,60-0,80 Temperaturer og varmestrøm 10 Betonvæg, 10 cm 6 tykkelse. 8 4 2 0-2 -4-6 -8 Overfladetemperatur Rumtemperatur Temperatur 10 cm dybde Varmestrøm Varmestrøm, (W/m 2 ) R u m Varmeindtrængningstal Symmetri -1,00 0 4 8 12 16 20 24 Klokkeslæt -10 3
1,00 0,80 0,60 Temperaturer og varmestrøm 10 8 Overfladetemperatur Rumtemperatur Temperatur 10 cm dybde Varmestrøm Letbetonvæg, 6 10 cm tykkelse. Temperatur 0,40 0,20 0-0,20-0,40-0,60-0,80 4 2 0-2 -4-6 -8 Varmestrøm, (W/m 2 ) -1,00 0 4 8 12 16 20 24 Klokkeslæt -10 Termisk masse og Varmeakkumulering varmeakkumulering i beton 50 Varmeakkumulering (Wh/(m 2 K) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 0,1 Materialetykkelse (m) Beton 2400 Letbeton 1800 Tegl 1800 Letklinkerbeton 1200 Gipsplade med papir 900 Porebeton 700 Letklinkerbeton 600 Træ 500 4
Varmeakkumulering 50 Varmeakkumulering (Wh/(m 2 K)) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0,100 m 50 m 25 m 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Varmeindtrængningstal (J/(m 2 K. s ½ )) d = (ρ λ c p ) ½ Termisk masse og varmeakkumulering i beton Aktiv varmekapacitet: Aktuel akkumuleret varme (ved døgnvariation) Varme akkumuleret ved fuldstændig udnyttelse af den tilgængelige varmekapacitet Modstand ved overflade og i materiale 5
Termisk masse og varmeakkumulering i beton Varmekapacitet ( c ) for bygning pr. m 2 opvarmet etageareal Varmekapacitet pr. m 2 overfladeareal Varmeakkumulering, eksempel Konstruktionsdel Overfladear eal i forhold til opvarmet etageareal Materialetykkelse Varmekapacitet pr. overfladeare al Varmekapacitet pr. opvarmet etageareal Aktiv varmekapacite t pr. overfladeareal Aktiv varmekapaci tet pr. opvarmet etageareal m Wh/(K m²) Wh/(K m²) Wh/(K m²) Wh/(K m²) Loft,beton 0,90 0,10 66,7 6 24,4 22,0 Gulv, klinker 0,90 0,10 66,7 6 24,4 22,0 Skillevægge, beton 0,90 9 6 54,0 22,2 2 Ydervægge,beton 0,29 0,10 66,7 19,3 24,4 7,1 Sum 2,99 193,4 71,0 6
Varmekapacitet Danske tabelværdier for varmekapacitet Varmeakkumulering Tidskonstant: τ = Ae c / H Hvor τ Tidskonstant, h Ae Bygningens opvarmede areal, m 2 c Bygningens varmekapacitet, Wh/K m 2 H Specifikt varmetab for bygning, W/K Relativt varmetilskud: γ = Varmetilskud /varmetab (= Q g /Q l ) 7
Varmeakkumulering Udnyttelse af varmetilskud (η) Tidskonstant τ Relativt varmetilskud (γ) Termisk masse og varmeakkumulering i beton Beregning af energibehov, eksempler Bygningstyper: Boligbyggeri Kontorbyggeri Byggematerialer: Ekstra tung beton tung let Ekstra let 8
Referencebygning, bolig: Fritliggende parcelhus. T-formet bygning. Areal: 180 m2. Solindfald, enfamiliehus T-formet bygning. Derfor skygger på nogle vinduer. Vinduesareal: 29 % af etageareal Orientering (og fordeling): N: 22 %, S: 37 %, Ø: 21 %,V:20% Rudetype: Energirude, g = 0,63 Glasandel: 67 % Skygger: 15 o horisont, 10 o Højre/venstre, 40 70 o udhæng (med solafskærmning): : uden udhæng: 5200 kwh/år 7400 kwh/år 10500 kwh/år 9
Transmission U-værdier Loft: 300 mm isolering, lambda 37 W/m K Terrændæk med gulvvarme (0,39 m fundament) Ydervæg (162,6 m² brutto): 190 mm isol. 37 W/m K Areal 180 156 109,6 U-værdi 0,12 0,12 0,25 Linjetab Fundamenter og samlinger ved vinduer Ydervægsfundamenter Samling omkring vinduer og døre l (m) 154,7 63,3 91,4 Tab (W/mK) 0,13 3 Resultat, enfamiliehus, med forceret ventilation Energibehov Sol Ekstra let 90,5 91,3 let 88,0 86,6 tung 87,2 82,1 Ekstra tung 86,8 81,8, uden udhæng 94,2 89,0 86,0 84,0 Overskudsvarme Sol Ekstra let 5,8 let 3,7 tung Ekstra tung, uden udhæng 14,2 11,6 9,7 8,2 Energiramme 90,5 kwh/m 2 10
Resultat, enfamiliehus, uden forceret ventilation Energibehov Sol Ekstra let 97,7 98,4 let 93,6 93,8 tung 91,8 91,5 Ekstra tung 90,6 90,1, uden udhæng 104,1 98,8 95,8 93,8 Overskudsvarme Sol Ekstra let 7,2 12,9 let 5,7 10,9 tung 4,6 9,4 Ekstra tung 3,8 8,3, uden udhæng 24,0 21,5 19,4 17,9 Forskel 4-10 % i energibehov Termisk masse og varmeakkumulering i beton Kontorhus 11
Resultat, kontorhus Energibehov Ekstra let let tung Ekstra tung Forceret ventilation Forceret ventilation Uden forceret ventilation Uden forceret ventilation 103,9 118,7 108,6 123,0 97,4 111,6 102,1 116,1 91,5 105,6 98,4 111,7 90,5 103,9 95,9 108,9 Overskudsvarme Forceret ventilation Sol Ekstra let 5,2 let 3,2 tung Ekstra tung Forceret ventilation Uden forceret ventilation Uden forceret ventilation 5,2 12,3 11,5 3,1 10,4 9,7 Forskel 11-13 % i energibehov 9,1 8,4 8,1 7,3 Termisk masse og varmeakkumulering i beton Konklusioner Densiteten er den dominerende parameter ved varmeakkumulering i materialer Materialetykkelser fra overfladen op til 5 cm giver størst udnyttelse af varmeakkumuleringen. Det er muligt at beregne varmekapacitet mere detaljeret men begrænset fordel på grund af de danske tabelværdier. Energibehov 4 13 % mindre ved at anvende beton i konstruktioner i forhold til lette materialer 12