Bevarings afdelingen Energiforbrug i middelalderkirker Parameterstudie i Kippinge kirke
Bevaringsafdelingen, Forskning, Analyse og Rådgivning I.C. Modewegsvej, Brede, 2800 Kgs. Lyngby, Tlf. 33 47 35 02, Fax 33 47 33 27, E-mail cons@natmus.dk 17. januar 2011 Sagsnr. 10821525 PKL/LAJ/TBR/gha Energiforbrug i middelalderkirker parameterstudie i Kippinge kirke Poul Klenz Larsen, Lars Aasbjerg Jensen, Tor Brostrøm Sammenfatning Energiforbruget til opvarmning af en typisk middelalderkirke er beregnet ved hjælp af B-sim. Beregningerne er udført på en model af Kippinge kirke. Forskellige parametres indflydelse på det årlige varmebehov er undersøgt. Varmeanlæggets kapacitet har ringe indflydelse på det årlige energiforbrug, medmindre den installerede effekt er væsentligt mindre end anbefalet. Dette skyldes, at den maksimale effekt kun benyttes i ganske korte tidsrum i løbet af året. For periodevis opvarmning er grundtemperaturen den vigtigste faktor, hvorimod antallet af opvarmningsepisoder og opvarmnings varighed har underordnet betydning. Vedvarende opvarmning medfører et voldsomt forøget energiforbrug. Konstant udluftning gennem åbne vinduer eller brug af mekanisk ventilation vil ligeledes forøge energiforbruget markant. Det beregnede energiforbrug ved periodisk opvarmning er i overensstemmelse med det målte energiforbrug i kirken. Baggrund Opvarmning af middelalderkirker skal tilgodese kravet om personkomfort, hensynet til bevaringsforholdene for inventar og udsmykning, samt ønsket om et minimalt energiforbrug. Desuden stilles i nogle kirker særlige betingelser for orglet. I de fleste tilfælde må opvarmningspraksis fastlægges som et kompromis mellem modstridende interesser. I henhold til Kirkeministeriets Opvarmningscirkulære kan der i princippet vælges to forskellige måder at opvarme en kirke. For de kirker, som benyttes dagligt, anbefales vedvarende opvarmning med en grundtemperatur på 15 C og en brugstemperatur på 18 C. For kirker, der kun benyttes een gang om ugen eller mindre, anbefales en grundtemperatur på 8 C og en brugstemperatur på 18 C. Opvarmningen skal ske så hurtigt som muligt, idet temperaturen skal kunne hæves 12 C på højst 6 timer. I mange tilfælde anvendes imidlertid andre sætpunkter end de anbefalede. For at kunne optimere opvarmningen med hensyn til energiforbruget, er det vigtigt at kende konsekvensen af ændringer i de betydende parametre. Konstruktion Som udgangspunkt for beregningerne er valgt Kippinge Kirke på Falster (figur 1). Kirken er opført med 1 m tykke ydermure af massivt murværk i røde teglsten med fuger af kalkmørtel. Taget er beklædt med tegl i munke-og-nonne format. Koret er overhvælvet med et stjernehvælv af ½ stens teglsten, hvorimod skibet har træloft. Skib og kor har delvis trægulv, delvis stengulv, men i modellen er kun anvendt træ på hele overfladen. Denne modifikation kompenserer til dels for, at der ikke er medtaget kirkens inventar af træ. Skib og kor har 4 vinduer mod syd og 3 mod nord med enkeltglas i trærammer og indvendige forsatsruder. Væsentlige egenskaber for de enkelte bygningsdele er angivet i tabel 1. Fugtindholdet i de enkelte materialer er sat til hygroskopisk ligevægt med 80 % RF. Kun skib og kor er omfattet af modellen. Derudover har kirken tårn med vest og våbenhus mod syd, som ikke er medtaget. Modellen er vist som stregtegning i figur 2. Grundplan for skib og kor er 16x10 m og 5 x 10 m og ydermurene er 8 m høje. Kor og skib udgør én klimazone, og tagrummet er ligeledes én klimazone. Volumen af skib og kor er omtrent 1500 m 3. 1
Da programmet ikke kan benytte krumme flader, er korets hvælv forenklet til plane trekantede felter, og skibets krumme loft er ligeledes ændret til rektangulære plane flader. Målinger Kirken opvarmes af elektrisk strålevarme i form af varmepaneler monteret under bænkene (figur 4) og stenplader på væggene i kor og skib. Den installerede effekt er 39 kw. Dette er betydelig mindre end anbefalet i Opvarmningscirkulæret, som angiver 65 kw for en kirke af denne størrelse. Opvarmningen reguleres af en elektronisk styreenhed tilsluttet rumtermostater. Der benyttes en grundtemperatur på 8 C og en brugstemperatur på 18 C. I perioden juni 2009 til juli 2010 var der 30 opvarmningsepisoder, svarende til een opvarmning om ugen i varmesæsonen. Det totale årlige elektricitetsforbrug i samme periode blev registreret til 18 MWh. En del af elforbruget hidrører fra elektrisk belysning, som for størstedelens vedkommende bliver til varme. Derudover brugte en elektrisk kondensaffugter ca. 2 MWh, der imidlertid også bliver til varme, idet varmefladen fungerer som et varmeapparat. Affugteren kører fortrinsvis om sommeren, så dette varmebidrag medregnes ikke. I virkeligheden producerer affugteren mere varme end det målte energiforbrug, da den frigør fordampningsenergien fra den kondenserede fugt. Men da denne energi allerede er brugt til at fordampe fugten fra vægge eller gulv, bidrager dette ikke til den totale opvarmnings energi. Rumklimaet blev målt med elektroniske dataloggere af typen TinyTagPlus fra firmaet Gemini. Loggeren måler værdierne hver time og lagrer målingerne, som siden hen behandles ved hjælp af en PC. Fugtføleren har en nøjagtighed på +/- 3 % rf i intervallet 0-100 % rf. Resultatet er gengivet i figur 5. Det naturlige luftskifte blev målt med sporgas over en periode på 5 uger i februar 2010 og september 2010. Der blev opsat i alt 7 sporgaskilder og 10 absorptionsrør jævnt fordelt i skib og kor. Metoden er nærmere beskrevet i bilag A. Det gennemsnitlige naturlige luftskifte var 0.09 h -1 i begge perioder. Beregninger Til beregningen af energiforbruget er anvendt programmet B-sim. Som udeklima er benyttet det danske DRY (design reference year), der består af en række parametre i form af temperatur, luftfugtighed, nedbør, vind samt stråling. Referenceåret er sammensat af en serie naturlige klimasekvenser, der er kombineret til et typisk år med almindeligt forekommende udsving. Der er ikke tale om et konkret år. Jordtemperaturen er defineret som en glidende parameter med sinusformet udsving mellem 5 C om vinteren og 15 C om sommeren. Der er beregnet varmeforbrug ved 36 forskellige opvarmnings situationer som angivet i tabel 2. Udover varmebehovet opvarmes kirken også af solindstråling, som især har betydning i sommermånederne. I vintermånederne er vinduernes bidrag negativt, idet varmetabet ved transmission og infiltration overstiger indstrålingen. På grund af solindstråling er den årlige totale energibalance ca. 15 % højere end det angivne varmebehov. Der er som udgangspunkt defineret i alt 8 forskellige situationer med grundtemperatur på henholdsvis 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, og 18 C og brugstemperatur på 18 C. Desuden er der defineret 4 niveauer for brugstemperaturen på henholdsvis 16, 18, 20 og 22 C ved grundtemperatur på 8 C. Der opvarmes til grundtemperatur i perioden 1. oktober til 31. maj og til brugstemperatur én gang om ugen i samme periode. Opvarmningstiden er fast 6 timer for alle opvarmningsepisoder, selvom dette ikke er nødvendigt i alle situationer. Om foråret og efteråret kunne brugstemperaturen nås ved kortere opvarmningstid, men programmet rummer ikke mulighed for at variere denne parameter indenfor samme simulering. Energiforbruget ved konstant opvarmning er beregnet for temperaturerne 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 og 22 C. Den installerede effekt er i alle tilfælde 50 kw. 2
Resultaterne af disse beregninger er vist i diagrammet i figur 6. For den periodevis opvarmede kirke øges energiforbruget markant med stigende grundtemperatur, hvorimod brugstemperaturen ikke har nogen særlig betydning. For en grundtemperatur på 6 C er varmebehovet 13,5 MWh og for 16 C tilsvarende 40,7 MWh eller 3 gange højere. Ved opvarmning til konstant temperatur på 18 C øges energibehovet til 49 MWh, og ved 22 C bliver forbruget 72 MWh. Det ses, at temperaturniveauet har afgørende betydning for energiforbruget. Energiforbruget til den ugentlige brugsopvarmning er forskellen mellem de to kurver. Ved grundvarme på 4 C udgør brugsvarmen ca. 40 % af varmeforbruget, men allerede fra 10 C udgør brugsopvarmningen mindre end 10 % af det samlede varmebehov. Spørgsmålet er, hvilken virkning det vil have på energiforbruget at reducere den installerede effekt. Figur 7 viser det totale årlige energiforbrug ved forskellige effektniveauer. Der opvarmes i alle tilfælde til en grundtemperatur på 8 C og en brugstemperatur på 18 C een gang om ugen. Ved en effekt på 40 kw er energiforbruget på samme niveau som ved 50 kw, medens en reduktion til 30 kw giver en forøgelse i forbruget på 2000 kwh. Ved yderligere reduktion af effekten øges energiforbruget væsentligt. I samme diagram er vist opvarmningsperioden længde ved de forskellige effektniveauer. Det er valgt at benytte den længste nødvendige periode til alle opvarmningsepisoder, selvom det i praksis er muligt at opvarme i kortere tid om foråret og efteråret. Der ses en fin sammenhæng mellem opvarmningstid og energiforbrug. En opvarmningstid på 6 timer opnås ved 35 kw, hvilket er væsentligt lavere end de anbefalede 65 kw, men ganske tæt på de 39 kw, som varmeanlægget yder. Effektbehovet ved samtlige grundtemperaturer mellem 4 og 18 C. fremgår af varighedsdiagrammerne i figur 11 og 12. Den installerede effekt er 50 kw i alle beregningerne og opvarmningstiden er fast 6 timer. Ved een opvarmning er den samlede opvarmningstid ca. 200 timer om året. I dette forholdsvis korte tidsrum ligger det maksimale effektbehov mellem 20 kw og 50 kw. Der er ikke helt overensstemmelse med resultaterne i figur 7. Ved en grundtemperatur på 8 C er der således tilsyneladende behov for mere end 35 kw i ca. 50 timer, men dette skyldes, at programmet altid udnytter den tilgængelige effekt, selvom opvarmningstiden derved bliver mindre end 6 timer. I langt det meste af tiden er behovet mindre end 15 kw for alle grundtemperaturer. Kravet om kort opvarmningstid medfører, at varmeanlæggene dimensioneres med en overkapacitet, som kun udnyttes i en meget lille del af året. Derefter er beregnet 4 forskellige scenarier, hvor antallet af opvarmninger er varieret med henholdsvis een eller to gange om ugen samt een eller to gange om måneden. Der benyttes to niveauer for grundtemperaturen på henholdsvis 8 C og 12 C, og en brugstemperatur på 18 C. Resultatet er vist i diagrammet i figur 8. For begge grundtemperaturer gælder, at en forøgelse af brugsfrekvensen fra een til to gange om ugen medfører en forøgelse i varmeforbruget på ca. 2,5 MWh. Reduceres antallet af opvarmningsepisoder til een om måneden, bliver besparelsen ikke tilsvarende mindre, især ikke ved 12 C. Jo mindre kirken bliver brugt, jo mere betyder grundtemperaturen for det samlede energiforbrug. I en separat serie er opvarmningstiden længde er sat til 3, 4, 6, 8, 12, 24 eller 48 timer for opvarmningspraksis 8/18 C. Resultater er vist i figur 9. En fordobling af opvarmningstiden koster ca. 2 MWh og en firedobling ca. 4 MWh. Hvis kirken bruges mere end en gang om ugen bliver forbruget naturligvis større. Der er ikke ret meget at spare ved at forkorte opvarmningstiden, set i forhold til det samlede energiforbrug. Energitab, som følge af infiltration, er undersøgt for henholdsvis 0.1, 0.2, 0.4, og 0.8 h -1 ved periodevis opvarmning til 8/18 C og permanent opvarmning til 18 C. Resultater er vist i figur 10. Ved et luftskifte på 0,1 h -1 er varmetabet ved infiltration ca. 10 % af det samlede varmebehov for både vedvarende og periodevis opvarmning. Øges luftskiftet til 0,8 h -1 bliver varmetabet ca. 30 % for begge opvarmningssituationer. I en normal kirke, hvor luftskiftet næppe er højere end 0,2 h -1, udgør venti- 3
lationstabet en beskeden andel af det samlede forbrug. Men mekanisk ventilation af kirker med det formål at nedbringe luftfugtigheden kan medføre markant forøget energiforbrug. Desuden kan permanent friskluftindtag i forbindelse med luftvarmeanlæg være årsag til stort varmetab. Energiforbruget ved periodisk opvarmningspraksis i perioden 1. juli 2009 til 30. juni 2010 målt til 16 MW. Dette stemmer nogenlunde overens med det beregnede energiforbrug på 17,5 MW. Som det fremgår af klimamålingen i figur 5, faldt grundtemperaturen nogle måneder i vinteren ned til 6 C, hvilket har reduceret energiforbruget. Der er derfor rimelig sikkerhed for at de øvrige beregninger også afspejler det energiforbrug i kirken, som kan forventes under andre forudsætninger. Beregningerne er sammenfattet i en række faktorer i tabel 3. Faktorerne kan benyttes til overslagsberegning af det årlige energiforbrug udfra de givne forudsætninger. Hvis der opvarmes 2 gange om ugen og grundtemperaturen er 12 C, bliver det årlige energiforbrug 17,4 x 1,57 x 1,15 = 31 MWh. Den tilsvarende beregning, som fremgår af figur 8, viser 30 MWh. Konklusion Periodevis opvarmning kan realiseres ved en installeret effekt på 35 kw. Dette er på samme niveau som varmeanlæggets aktuelle kapacitet på 39 kw, men meget mindre end de 65 kw, som anbefales i Kirkeministeriets Opvarmningscirkulære. Varmeanlæggets kapacitet har ringe indflydelse på det årlige energiforbrug, medmindre den installerede effekt er væsentligt mindre end anbefalet. Dette skyldes, at varmeanlægget kun udnyttes fuldt ud i ganske korte perioder i løbet af året. Energiforbruget ved periodevis opvarmning afhænger især af grundtemperaturen. Ved lav grundtemperatur på 4 C er forbruget ca. 10 MWh, og det stiger gradvis til ca. 48 MWh ved konstant opvarmning til 18 C. For kirker, som opvarmes til en konstant temperatur, er energiforbruget op til 69 MWh ved 22 C. Ved en grundtemperatur på 8 C, som anbefales i Kirkeministeriets opvarmningscirkulære, er energiforbruget ca. 18 MWh ved een ugentlig opvarmning til 18 C i 6 timer. Dette stemmer nogenlunde med det målte energiforbrug på 16 MWh, idet grundtemperaturen i en periode var 6 C. Den andel af det samlede energiforbrug, som går til de kortvarige opvarmningsepisoder, udgør ca. 40 % ved en grundtemperatur på 4 C. Ved de anbefalede 8 C udgør de kortvarige opvarmningsepisoder 15 % af energiforbruget. Er opvarmningstiden 12 timer i stedet for 6 timer, bliver energiforbruget 19 MWh. Opvarmes to gange om ugen bruges 20 MWh, men hvis der kun opvarmes een gang om måneden bliver varmebehovet 16 MWh. Antallet af opvarmningsepisoder og opvarmningsvarighed har underordnet betydning for det årlige energiforbrug. Ventilation kan have stor betydning for energiforbruget. For alle opvarmnings praksis gælder at ved et lavt luftskifte på 0,1 h -1 udgør varmetabet som følge af infiltration ca.10 %, medens det ved højt luftskifte på 0,8 h -1 udgør ca. 30 %. De høje værdier for luftskifte forekommer fortrinsvis i kirker, som har konstant åbne vinduer eller mekanisk ventilation. Bygningsdel Materiale Tykkelse Densitet Varmeisol Varmekap. Fugtindhold Enhed mm kg/m3 W/mK kj/kg m 3 /m 3 Tag Tegl 20 1600 0,5 800 0,01 Loft Fyrretræ 25+50+25 500 0,12 1000 0,2 Isolering Mineraluld 50 32 0,039 800 0,0 Hvælv Murværk 150 1840 0,68 800 0,01 Ydermur Murværk 1000 1840 0,68 800 0,01 Gulv Fyrretræ 25 500 0,12 1000 0,2 Vindue Glas / træ 4+12+4/200 0 / 700 2,8 / 1,8 * 700 0,0 Dør Egetræ 30 800 1,4 1000 0,01 Tabel 1. Egenskaber for de enkelte bygningsdele, som er anvendt til modellen i B-sim. For vinduer er anvendt en kombineret U-værdi for glas og ramme. 4
Parameter Værdi Forudsætning Antal Installeret effekt (kw) 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 Opvarmning 8/18 C 7 Antal opv. 1 pr. uge Grundtemperatur ( C) 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 Brugstemp. 18 C 8 Antal opv. 1 pr. uge Konstant temperatur ( C) 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 10 20, 22 Opvarmningstid (timer) 3, 4, 6, 8, 12, 24, 48 Opvarmning 8/18 C 7 Antal opv. 1 pr. uge Antal opvarmninger (pr. måned) 1, 2, 4, 8 Opvarmning 8/18 C 4 Antal opv. 1 pr. uge Antal opvarmninger (pr. måned) 1, 2, 4, 8 Opvarmning 12/18 C 4 Antal opv. 1 pr. uge Infiltration (h-1) 0.1 / 0.2 / 0.4 / 0.8 Opvarmning 8/18 C 4 Antal opv. 1 pr. uge Infiltration (h-1) 0.1 / 0.2 / 0.4 / 0.8 Permanent opv. 18 C 4 Tabel 2. De enkelte parametre og deres variation Temperatur ( C) 4/18 6/18 8/18 10/18 12/18 14/18 16/18 18 20 22 Faktor 0,59 0,76 1 1,26 1,57 1,93 2,34 2,82 3,38 3,96 Antal pr. uge 0,25 0,5 1,0 2 Faktor 0,88 0,92 1,0 1,15 Længde (timer) 3 4 6 8 12 24 48 Faktor 0,93 0.95 1,0 1,04 1,11 1,24 1,60 Infiltration (h -1 ) 0.1 0.2 0.4 0.8 Faktor 1,0 1,06 1,19 1,44 Tabel 3. Faktorer til beregning af det årlige energiforbrug under de angive forudsætninger. Som basisværdi benyttes 17,4 MWh. 5
Figur 1. Kippinge kirke set fra sydøst. Figur 2. Computer model anvendt til beregningerne i B-sim. 6
Figur 3. Interiør fra Kippinge kirke set mod koret. Figur 4. Elektriske strålevarmepaneler under bænkene. 7
Figur 5. Klimamåling i Kippinge kirke i perioden 1. juli 2009 til 31. juni 2010. Figur 6. Energiforbrug til opvarmning ved forskellig grundtemperatur (blå markør) og forskellig brugstemperatur (grøn markør) samt konstant opvarmning (rød markør). Opvarmning til brug ved 18 C sker een gang om ugen fra 1. oktober til 1. juni og opvarmningsperioden er 6 timer. 8
Figur 7. Det totale energiforbrug til opvarmning (blå markør) og den maksimale opvarmningstid (rød markør) ved forskellige installerede effekt. Opvarmning til brug ved 18 C sker een gang om ugen fra 1. oktober til 1. juni. 9
Figur 8. Energiforbrug til opvarmning som funktion af brugsfrekvensen i perioden 1. oktober til 1. juni. Opvarmningstiden er 6 timer. 10
Figur 9. Energiforbrug til opvarmning som funktion af opvarmningstiden ved een opvarmning per uge i perioden 1. oktober til 1. juni. 11
Figur 10. Energiforbruget til opvarmning som funktion af luftskiftet ved een opvarmning per uge i perioden 1. oktober til 1. juni. Opvarmningstiden er 6 timer. 12
Figur 11. Varighedsdiagram for periodevis opvarmning til 18 C een gang om ugen. Grundtemperatur som angivet i diagrammet. Bemærk at den øverste del af diagrammet for 20 50 kw e r vist i figur 11. 13
Figur 12. Udsnit af varighedsdiagram i figur 10 for periodevis opvarmning til 18 C een gang om ugen. Grundtemperatur som angivet i diagrammet. Opvarmningsperioden er 6 timer. 14