IDA Bygningsfysik Varmekapaciteter og tidskonstanter i bygninger Lars Olsen Energi og Klima lo@teknologisk.dk Varmekapaciteter og tidskonstanter i bygninger Introduktion Bestemmelse af varmekapacitet I bygninger Tidskonstant Måling af temperaturer og tidskonstanter Sammenligning af målte og estimerede tidskonstanter Vurdering af resultater 1
Hvorfor varmekapacitet og varmeakkumulering? Fordele: Akkumulere varmetilskud som solindfald til senere (ved opvarmning) Reducere høje temperaturer ved stort solindfald (natkøling) Muliggøre fleksibilitet ved brug af el ved opvarmning Stabilisere temperaturreguleringen (dog er gulvvarme en udfordring) Langsomt temperaturfald ved udfald af varmeforsyning Ulemper: Langsom hævning/sænkning af temperaturer ved ændret brug (fx børneværelser og efter ferier) I overophedet rum falder temperaturen langsomt Mindre udbytte af natsænkning Introduktion Behov for fleksibilitet I elforbruget. Muligheder for fleksibilitet I el-forbrug fx: El-biler Batterier Varmepumper Se på varmepumper til rumopvarmning 2
Varmepumper til opvarmning Muligt at opnå fleksibilitet ved at lagre i: Separate (vand)tanke Bygningskonstruktionen Varmepumper kan kontrolleres eksternt direkte eller ved prissignaler til stop (og start). Ved at lagre i bygningskonstruktionen tillades komfort temperaturerne at variere nogle grader Kelvin. Varmestrømme som påvirker varmebalancen i en bygning Ventilation (VGV) Solindfald Transmissionstab Varmeakkumulering Køkkenudstyr Personer Radiator Elektronik Infiltration (Lufttæthed) 3
Varmekapacitet Danske tabelværdier for varmekapacitet Kilde: Bygningers energibehov, Beregningsvejledning, SBi anvisning 213 Gulvkonstruktion af beton med frit eksponeret overflade. Ref.: DS/INF 418-2 4
Gulvkonstruktion af beton med tæppe. Ref.: DS/INF 418-2 Beregning af effektiv varmekapacitet Effektiv (aktiv) varmekapacitet: Aktuel akkumuleret varme (ved døgnvariation) Varme akkumuleret ved fuldstændig udnyttelse af den tilgængelige varmekapacitet Ingen overgangsisolans, men modstand i materiale og evt. ved overfladebelægning Maksimalt 10 cm akkumulerende materiale, eller indtil isoleringslag eller symmetrilinje Ref.: DS/INF 418-2 5
Sammensætning af bygningsdele Varmekapacitet ( c ) for bygning pr. m 2 opvarmet etageareal Varmekapacitet pr. m 2 overfladeareal Ref.: DS/INF 418-2 Varmeakkumulering, eksempel Konstruktionsdel Overfladeareal i forhold til opvarmet etageareal (f i ) Materialetykkelse Effektiv varmekapacitet pr. overfladeareal (κ m ) Effektiv varmekapacitet pr. opvarmet etageareal (f i κ m ) m 2 /m 2 m Wh/(m² K) Wh/(m² K) Trægulv på isolering 0,82 0,022 4,9 4,0 Loft, gipsplade 0,82 0,013 3,3 2,7 Skillevægge, gips 1,38 0,026 6,5 9,0 Ydervægge, gips 0,66 0,026 6,5 4,3 Inventar 1,00 0,020 10,0 10,0 Sum (κ bygning ) 30,0 Ref.: DS/INF 418-2 6
Tidskonstant: τ = Ae c / H Hvor τ Tidskonstant, h Ae Opvarmet etageareal i bygning, m 2 c Varmekapacitet i bygningen, Wh/K m 2 H Specifikt varmetab for bygning, W/K 7
Tidskonstant: τ = Ae c / H Hvor τ Tidskonstant, h Ae Opvarmet etageareal i bygning, m 2 c Varmekapacitet i bygningen, Wh/K m 2 H Specifikt varmetab for bygning, W/K τ τ = 240 h τ = 96 h τ Tau = 24 = 24 h h τ = 48 h ---- Tid fra stop of varmetilførsel, h 8
Styr din varmepumpe 300 varmepumpeinstallationer med målinger og mulighed for ekstern styring (PSO-ForskEL projekt) Estimerede specifikke varmetab pr. bruttoetageareal, H, i afhængighed af opførelsesåret. (W/(m²K)). 5,00 Specifikt varmetab pr. areal (W/m²K) 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 Specifikt varmetab pr areal (W/m²K) y = -0,00019343x 2 + 0,74159561x - 708,27531403 0,00 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Opførelsesår 9
Estimerede gennemsnitlige tidskonstanter i afhængighed af opførelsesår (enfamiliehuse) 6 EnergyFlexHouse, Family 10
Energy Flex House Operativ temperatur i nordvendt rum 26. 27. december 2014 Estimerede tidskonstanter for EnergyFlexHouse Tidskonstant bygningskrop: over to dage Tidskonstanten for luften udgør ca. 1/15 del af bygningskroppens 11
Testhus i Lime: Efter 7 døgn er temperaturfaldet 4 K ved 10 15 C ude Varmekapacitet og tidskonstanter Vurdering af resultaterne Relativt enkelt at finde et estimat for varmekapacitet Det er muligt at opnå acceptable estimater af tidskonstanter for bygninger, men stor spredning Der er ofte en tidsforsinkelse mellem stop af varmepumpe og temperaturfald Det er muligt at stoppe varmepumper i et antal timer og bibeholde acceptable komfort temperaturer 12