Artikel till Bygg & Teknik

 

Författare:

Professor Carl-Eric Hagentoft, Inst. för byggnadsfysik, Chalmers

och

Civ.ing. Charlotte Svensson, byggnadsfysiker vid J&W Energi och Miljö i Stockholm

Energieffektivt och god termisk komfort genom värmelagring i byggnaden

Inledning

Många av dagens miljöfrågor är direkt eller indirekt kopplade till energiproduktionen, vars storlek i sin tur är beroende av energianvändningen i samhället. Energianvändning i svenska byggnader (uppvärmning, kyla, varmvatten och elektricitet) utgör över 40 % av Sveriges totala energianvändning. Installationer utgör en allt större del av kostnaden för dagens byggnader. Samtidigt upplever många människor problem med inomhusklimatet i byggnader, med bl.a. brister i den termiska komforten. Dessa faktorer har fått bland andra arkitekter och byggherrar att söka lösningar där själva huset är ett reglersystem för temperatur och energianvändning. Detta kan leda till bättre inomhusklimat och lägre energianvändning. Ibland kan dock den väntade effekten bli lägre än kalkylerat eller t.o.m. utebli. Med kunskap om grundläggande byggnadsfysik och genom att se byggnaden som ett system är möjligheten att lyckas stor!

Vilka är fördelarna vi söker?

·                            God termisk komfort

Variationerna i inomhustemperatur i en tung byggnad dämpas och därmed blir inomhustemperaturen stabilare. Det innebär t.ex. att temperaturen sommartid blir lägre under dagtid, vilket minskar behovet av en kylanläggning.

·                            Mindre effektbehov

Då överskottsvärme kan lagras i byggnadsmaterialen och tillgodogöras senare, kan behovet av att tillföra byggnaden värme bli jämnare, d.v.s. det maximala effektbehovet kan bli lägre. Detta innebär en lägre belastning på infrastrukturen, men även fördelar för fastighetsägaren i form av enklare reglering och möjlighet att ladda värme/kyla på natten. Således kan en mindre värmeanläggningen användas.

·                            Energieffektivare

Tung byggnadsteknik med låga U-värden, god lufttäthet och genomtänkt styrstrategi ger möjlighet till energieffektiva byggnader. Med en genomtänkt strategi för värme, kyla och ventilation kan byggnaden utnyttja värmeöverskott till att vara en del av byggnadens uppvärmning.

 

En förutsättning för att kunna tillgodogöra sig de goda effekterna av värmelagring i byggnader är att temperaturen tillåts variera ett par grader över dygnet, så att värme kan lagras och avges från byggnadsmaterialen.

Värmebalans

En av de mest fundamentala naturlagarna föreskriver att energi- eller värmebalans måste råda i ett slutet system. För byggnader betyder det att:

Värmetillförsel = Värmeförluster + Lagrad värme     

 

Den lagrade värmemängden varierar när inomhustemperaturen varierar. Eftersom inomhustemperaturen måste hållas inom ett ganska begränsat intervall, kommer den totalt lagrade värmemängden att hållas inom ett förhållandevis snävt intervall.

Den ackumulerade värmetillförseln och värmeförlusten ökar allteftersom tiden går. Om man liknar byggnaden vid ett vattenkärl med en vattenmängd motsvarande värme, så ”rinner” det både in och ut mycket vatten ur kärlet över en längre tidsperiod, medan vattenmängden i kärlet är förhållandevis konstant. Sett över en längre tidsperiod, någon vecka eller längre, balanseras den totala värmetillförseln av en lika stor värmeförlust, se Figur 1.

Värmetillförsel = Värmeförluster                                                      Över längre tidsperiod

 

 

Figur 1: Värmebalans i en byggnad över en längre tidsperiod är att värmetillförseln måste vara lika stor som värmeförlusten. Under kortare tidsperioder kan värme lagras i byggnaden, och på så sätt spara värme från tider med överskott för att användas i tider av underskott. Exempel på värmetillförsel och värmeförluster visas i figuren.

 

Figur 2: Genom att använda byggnadens stomme som värmelager kan överskottsenergi komma tillgodo vid en senare tidpunkt då ett värmetillskott behövs.

Genom uppvärmning ökas värmetillförseln, och även värmeförlusten, och innetemperaturen höjs till en nivå som anses komfortabel. Den totala värmetillförseln blir dock ibland för stor, dvs. temperaturen stiger för mycket för att den ska kännas komfortabel. Under dessa perioder har vi ett värmeöverskott. Detta orsakas oftast av att värmetillförseln från sol, människor och apparater kommer, sett ur ett komfortperspektiv, vid olämpliga tider. I samband med att innetemperaturen stiger flödar värme in i de byggnadsmaterial som omger rummet. Överskottet av värme lagras i materialet. Tunga material kan lagra detta överskott utan att innetemperaturen, och materialets temperatur, behöver höjas så mycket. Detta på grund av den höga värmekapaciteten i tunga material. Om rummets temperatur tillåts variera inom rimliga gränser, kan hela värmeöverskottet tas om hand av det byggnadsintegrerade värmelagret, se Figur 2.

 

Då lätta material i byggnaden används, måste dessa och därmed även innetemperaturen, höjas många fler grader för att värmeöverskottet ska få stanna kvar innanför byggnadens klimatskal. Av komfortskäl accepteras detta ej av brukarna, vilka tvingas ventilera ut värmen eller kyla byggnaden. Därmed går värme förlorad.

 

Överskottet vi talar om motsvaras av variationer i den totala värmetillförseln. Motsvarande underskottsperioder uppstår vid andra tillfällen. Typiskt uppstår överskottet på dagen och underskottet på natten, varför denna artikel koncentrerar sig på sådana dygnsvariationer. Värme lagras under kortare tidsperioder, från perioder med överskott till perioder med underskott. Detta ger upphov till variationer i innetemperaturen. Vid en god värmelagring i byggnaden utjämnas temperaturskillnader i inneluften naturligt, vilket också ger en ökad termisk komfort.

 

I analogin med vattenkärlet så rinner värme in genom värmetillförsel, mer på dagen och mindre på natten. I den tunga byggnaden (brett kärl) svänger inte vatten/värmenivån så mycket, medan i det lätta huset (smalt kärl) svänger temperaturen och värmemängden i byggnaden mycket. Värme ”skvalpar” då över eftersom de höga temperaturerna tvingar brukarna att öka ventilationen eller att utnyttja kylning. På natten kan temperaturen i den lätta byggnaden svänga ner till icke komfortabla nivåer. Detta ger upphov till en extra uppvärmning som ska kompensera det värme som gått förlorat på dagtid.

 

Sammanfattningsvis kan sägas att då värmeöverskotten är stora, vilket lätt uppstår för välisolerade byggnader utan köldbryggor och med små ventilationsförluster och där den okontrollerade värmetillförseln är relativt sett stor, kan en tung byggnad bidraga till ett stabilare inneklimat och ett reducerat behov av både uppvärmning och kylning.

Hur mycket värme kan lagras i byggnaden

Den potential som finns hos byggnaden att lagra värme bestäms av den yta som exponeras mot inomhusluften, eventuella ytmotstånd (t.ex. golvbeläggningar) och materialens tjocklek. Hur mycket värme som verkligen lagras är än mer komplext där typ av värmesystem, styr- och reglersystem och ventilation är viktiga komponenter. För att bedöma den potential som finns hos en byggnad kan man studera vilka material som exponeras mot inomhusluften och om de har optimal tjocklek för dygnslagring, se Figur 3. Olika materials förmåga att lagra värme visas i Figur 4.

Figur 3: Inträngningsdjup för dygnsvariationer av temperatur i en byggnad. Inträngningsdjupet för mineralull varierar beroende på typ av isolering.

Figur 4: Lagringspotential för olika material i en vägg. Maximalt möjlig värmemängd som kan lagras i en vägg med arean 100 m2 vid en inomhustemperaturvariation på ± 1°C.

 

Om de tunga materialen i husen döljs av t.ex. golvbeläggning, skivmaterial eller mattor, reduceras möjligheten att lagra värme. Figur 5 visar reduktionsfaktorn (jämfört med en fritt exponerad yta) för inlagrad effekt vid varierande värmeövergångsmotstånd för ett antal material. Ytmaterialets tjocklek antas vara större än inträngningsdjupet.

 


 

 

 

Det som gäller vid ytan

Värmeövergångs-motstånd m2K/W

Ren yta

0.1-0.35

Att addera för ytskiktets motstånd

 

Bokhylla (i god kontakt med vägg)

1.4

Akustikplatta,

2 cm tjock

0.5

Spånskiva, 20 mm

0.17

Gipsskiva

0.06

Matta på golv

(3-10 mm)

0.06-0.2

Figur 5: Reduktionsfaktorn för inlagrad värme vid varierande värmeövergångsmotstånd för ett antal material. Materialets tjocklek antas vara större än inträngningsdjupet

Ett radhus simuleras

Genom att simulera inomhustemperatur och energianvändning i en byggnad kan fördelarna med tungt byggande visas mer detaljerat för ett specifikt fall. För detta ändamål har energisimuleringsprogrammet Derob-LTH använts. Ett radhus har simulerats med avseende på inomhustemperatur och energianvändning. Radhuset, som ligger mitt i en radhuslänga, består av två lika stora våningsplan med en total boyta av 148,5 m2. Radhuslängan är orienterad i öst-västlig riktning och bostadens fasader är alltså åt söder och norr. Fönsterytan är 20 % av fasadytan, där söderfasaden har störst fönsteryta; 13 m2. Taket består av takpannor på råspont över ett ventilerat vindsutrymme. En tung och en lätt konstruktion av radhuset har simulerats. Båda varianterna har fått samma U-värde; 0,250 W/(m2*K). Den tunga varianten av huset har betongbjälklag och kanalytterväggar av tegel med mellanliggande isolering. Även några av innerväggarna är av enstens tegel. Den lätta varianten är en träregelkonstruktion med gipsskivor.

Radhuset bebos av fyra personer; två vuxna och två barn. Hushållsapparater bedöms vara av energieffektiv typ. Ventilationen av bostaden är 0.5 oms/h. Värmesystemet värmer huset till 20°C. När temperaturen överstiger 26°C vädrar de boende ut värmen om de är hemma.

Stora komfortvinster i radhuset

Radhuset simulerades under ett år. Årsenergianvändningen för uppvärmning blev för det tunga fallet 50 kWh/m2/år och för det lätta fallet 51 kWh/m2/år, dvs. en skillnad i energianvändning på cirka 2 %. Den största skillnaden i energianvändning mellan tung och lätt variant var under vår- och höstperioderna.

Inomhustemperaturen för samma byggnad redovisas som antal timmar med övertemperaturer (temperaturen överstiger 26°C), se Figur 6. Den tunga byggnaden klarar sig i stort sett under 26°C, medan den lätta byggnaden får höga temperaturer under sommarhalvåret.

 

Figur 6: Antal timmar med övertemperaturer (temperaturen överstiger 26°C) i radhus för det tunga och det lätta basfallet.

Mer att hämta på energisidan i skolor och kontor

I fallet med radhuset är det främst fördelar med bättre termisk komfort i byggnaden som ges. Detta beror på att i radhuset är ”gratisvärmen”, från människor, maskiner och sol, relativt låga och dessutom utspridda över dygnet. I en skola eller ett kontor är ”gratisvärmen” betydligt större och mer koncentrerad till dagtid. I klassrummen finns många elever och nuförtiden även ofta ett antal datorer. I kontorutrymmen finns framförallt datorer och ett flertal kontorsapparater som alstrar värme. Många kontor har stora fönsterytor. Genom att utnyttja byggnaden till att lagra värme från interna värmelaster och från solinstrålning kan betydligt större energivinster göras än vad som visats i radhusfallet. Komfortvinsterna för kontor och skolor är också betydligt större.

Slutsatser

·                            Ett lågt U-värde, låga ventilationsförluster och/eller stora interna värmetillskott är förutsättning för att en tung byggnad ska ge fördelar vad gäller energieffektivitet.

·                            I en bostad är vinsten med en tung byggnad framförallt en bättre termisk komfort.

·                            I kontor och skolor kan en tung byggnad ge betydande fördelar, både ur energi- och termisk komfort synpunkt.

·                            Övergångsmotstånd mellan inneluften och väggytor, t.ex. golvmattor, reducerar möjligheten att värmelagra i byggnadsmaterialen.

·                            En ökad exponerad area på väggytor o dyl. ger en ökad värmelagring i byggnadsmaterialen.

·                            För att utnyttja värmelagringen fullt ut krävs materialtjocklekar på mellan 10-15 cm för lättbetong, tegel och betong.

Läs mer

Under hösten kommer Cementa och Mur- och Putsinformation, MPI, ge ut en skrift som handlar om energieffektivitet och god termisk komfort genom värmelagring i byggnaden. Resultaten som presenteras i denna artikel kommer från denna skrift.