Tektonik - Bygningers indeklima og energiforbrug - Bygningers... · 1 Tektonik Bygningers indeklima og energiforbrug Claus Topp Instituttet for Bygningsteknik Aalborg Universitet

1

Tektonik

Bygningers indeklima og energiforbrug

Claus ToppInstituttet for BygningsteknikAalborg Universitet

April 2004 Claus Topp Slide 2

Design af bygninger - treenigheden

Teknik

Materiale Form

Kræfter, konstruktioner og ligevægt

Indeklima, energiforbrug og varmebalancer

2


Prestiges forlis, Spanien 2002


Tagkollaps, Siemens Arena, Ballerup 2003

3


Lidt baggrundEnergiforhold

35% af energien til varme og ventilation

Luftkvalitet90 % af tiden indendørs (15 kg luft/døgn)Indeluft opleves dårligere end udeluft35% oplever et bredt spektrum af gener

MiljøBæredygtig teknologi, globale påvirkninger

ArbejdsmiljøStigende krav til komfort og sundhedStørre viden, nye stoffer

SamfundsudviklingAtrier, overdækkede gågader, tunneler, stationer, m.v.Udfordringer mht. energi, komfort og sikkerhed


Indtag over et døgn

1 kgmad

3 kg væske

15 kgluft

4


Indeklima og energiforbrug


Dagens program

IntroduktionBygningers indeklimaVarmetransport i bygningerBygningers energiforbrug

OpgaveregningPræsentation af løsning

5


Hvorfor bygger vi huse?

”Bygningens hovedformål er at skabe beskyttelse mod det ydre klimas påvirkninger for mennesker og de aktiviteter, mennesker ønsker at udøve”


Mål for design af bygninger

Minimere energiforbrug under hensyntagen tilIndeklima

HoldbarhedAnvendelighedPlads, materialeforbrug, økonomi

Designerens værktøjerTeknikMaterialerForm

6


Hvorfor er indeklimaet vigtigt?

SundhedAllergi

Astma CancerSBS (Sick Building Syndrome)

ProduktivitetHænger nøje sammen med velvære og sundhed


Indeklima

Samlet vurdering afTermisk klimaAtmosfærisk klimaLydklimaLysklima

7


Termisk indeklima

Afhænger af de faktorer, der har indflydelse på menneskets varmeudveksling med omgivelserne

TemperaturLufthastighed (træk)AktivitetsniveauBeklædning


Termisk komfort (ultrakort!)

Ligesom tilfældet er for en bygning, består også en varmebalancefor et menneske.

Den interne varmeproduktion skal – for at der er tale om termisk komfort – bortskaffes således, at der består en temperatur på ca. 37°C indvendig i kroppen (den dybe kropstemperatur), samt omtrent 33-34°C på hudoverfladen.

OBS. Disse er nødvendige, men ikke tilstrækkelige betingelser for komfort.

8


Atmosfærisk indeklima

Beskriver luftkvaliteten, dvs. luftens indhold afGasser

Partikler VanddampLugtstofferMikroorganismer


Lyd og lys

Støj og akustikLyddæmpning af lokaleUndgå støj fra naborum

BelysningGive lys til arbejdeOplyse lokale på behagelig måde (undgå blænding, generende reflekser og flimmer) Vinduer skal give udsyn til det fri

9


Indeklima ⇒ energiforbrug

Temperatur

Fugtighed

Frisk luftLys

Lyd

Energiforbrug!

Ventilation

Varme

Belysning

Køling

Materialer

Befugtning


Hvorfor er energiforbruget vigtigt?

MiljøbelastningForbrug af ikke-vedvarende energiressourcer

Forurening af omgivelser

ØkonomiDrift, vedligehold og opførelse af bygninger og deres installationer

10


Bygningers energiforbrug

Offices, schools, industrial facilities

Electric lighting

40%

Heating and cooling

30%

Other30%


Energi og effekt

Varmetab eller varmetilskud er en øjeblikkelig effekt, der måles i W (Watt), W=J/sVarmeforbrug er en energimængde, der måles i J (Joule), J=W • sEnergi = effekt • tid

Effekt (W)

tid (s)

Energi (J)

11


Energi og effekt - eksempel

En 100 W pære brænder i 5 timerEffekten er 100 W Tiden er 5 timer = 18000 sEnergiforbruget er

100 W • 18000 s = 1800000 J = 1,8 MJ eller

100 W • 5 timer = 500 Wh = 0,5 kWh

Over en periode på 5 timer skal der tilføres 1,8 MJ (0,5 kWh) for, at pæren kan brænde med effekten 100 W

Energiindholdet i en skive rugbrød er ca. 500 kJ = 0,5 MJ. Der skal altså omsættes knap 4 skiver rugbrød for at levere den energimængde som pæren kræver i de 5 timer.


Varmetransport i bygninger

LedningVarmetransport ved direkte kontakt mellem molekyler, der overfører kinetisk energi til hinanden

KonvektionVarmetransport mellem væg og strømmende medium

StrålingElektromagnetisk stråling, også kaldet ”langbølget” eller ”mørk” varmestråling mellem flader

12


Varmetransport gennem bygningskonstruktioner

Afhænger af forskellen mellem inde- og udetemperaturenAfhænger af konstruktionens termiske egenskaber

Varmekapacitet, c

Varmeledningsevne, λVarmetransmissionskoefficient, U-værdi


VarmekapacitetBeskriver et materiales evne til at lagre varme (termisk masse), måles i kJ/kgKVand har en varmekapacitet på 4,2 kJ/kgK: 1 kg vand skal tilføres 4,2 kJ for at hæve vandets temperatur 1°CVarmekapaciteten for byggematerialer ligger i intervallet 0,75-1,05 kJ/kgK og derfor er det først og fremmest massen, der har betydning for varmekapacitetenEn bygnings varmekapacitet har indflydelse på temperatursvingningerne i bygningen

Stor termisk masseLille termisk masse

13


Varmeledningsevne

Beskriver et materiales evne til at lede varme, måles i W/mK

Et materiales varmeisoleringsevne, R, afhænger af materialets tykkelse, d, og varmeledningsevne, λ: R=d/ λGod varmeisolering kan opnås ved stor tykkelse og/eller lille varmeledningsevne

Aluminium har en varmeledningsevne på λ=209 W/mK, mineraluld har λ=0,039 W/mKMineraluld er således mere end ”5000 gange dårligere” til at lede varme end aluminium


VarmetransmissionskoefficientTil at beskrive varmetransmissionen gennem en konstruktion anvendes konstruktionens U-værdi, måles i W/m2KU-værdien er omvendt proportional med varmeisoleringsevnen, RU-værdien angiver hvor stor en varmeeffekt, ΦT, der strømmer gennem 1 m2 per grads temperaturforskel mellem inde og ude

1 m2

ΦT (W=J/s)

=UA(ti-tu)

ti (°C) tu (°C)

Inde Ude

14


Transmissionstab - eksempel

Varmetab gennem en væg

U=0,2 W/m2K, A=1m2

Varmetab gennem et vindue

U=1,8 W/m2K, A=1m2

ΦT = UA(ti-tu)

ΦT = 1,8 • 1 • (22-10) = 21,6 WVinduet giver også et varmetilskud fra solen

ΦT = UA(ti-tu)

ΦT = 0,2 • 1 • (22-10) = 2,4 W

10°C 22°C 10°C 22°C


Varmebalance (ligevægt)

En varmebalance for et rum eller en bygning udtrykker, at der er balance mellem varmetab og varmetilskud

Varmetilskud fra solen, Φsol

Internt varme-tilskud, Φi

Opvarmning, ΦH

Varmetab ved ventilation, Φv

Varmetab ved transmission, ΦT

Inde, ti

Ude, tu

Stationær varmebalance: ΦT+ Φv = Φsol + Φi + ΦH

15


Bygningers energiforbrug

Offices, schools, industrial facilities

Electric lighting

40%

Heating and cooling

30%

Other30%


Bygningers mikroklima

“We must begin by taking note of the countries and climates in which homes are to be built if our design for them are to be correct. One type of house seems appropriate for Egypt, another for Spain . . . . one still different for Rome . . . It is obvious that design for homes ought to conform to diversities of climate.”

VitruviusArchitect, first century B.C.

16


Bygningens form, orientering og placering

En bygnings form, orientering og placering har betydning for energiforbruget

SolindfaldDagslysVarmetilskud

VindforholdVarmetab gennem utætheder i bygning)Naturlig ventilation


Udnyttelse af sol, vind og dagslysThe Roman AtriumThe Roman house was constructed to face inward as it generally had no windows at all, but drew its air and light from the openings of the atrium.

The atrium was a perfect adaptation to the heat of the Mediterranean. It was open to the sky, letting fresh air in to circulate among the corridors and rooms. A small pool, would catch the rainwater.

17


Solstråling på bygninger - årsvariation

1 BTU = 0,29 Wh, 1 ft = 0,3048 m1BTU/sq ft =3,16 Wh/m2


Solstråling på bygninger - dagsvariation

Solstråling i Danmark 15. juni

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 4 8 12 16 20 24

Klokkeslet

Inte

nsi

tet (

W/m

2 )

VandretLodret sydLodret vest

Lodret nordLodret øst

18


Udnyttelse af varmetilskud fra solen

DagOpsamle og lagre varmetilskud fra solen

Forbindelse mellem glas-tilbygning og primær bygning

NatAfgive lagret varme ved stråling, konvektion og ledning


Bøgehusene, Greve

19


Passiv køling


Dagslys

Udnyttelse af dagslysLyse overfladerReflektere lyset så det trænger langt ind i bygning

20


Naturlig ventilation

Udnyttelse af naturlige drivkræfterTermisk opdrift

Vind


De Montfort University, Leicester, UK

21


Inland Revenue, UK


Barclaycard HQ, UK

22


Temperaturer i bygninger

Nye bygninger, specielt kontorbygninger, risikerer overophedning om sommeren

Stort varmetilskud fra solen pga. store glasarealerStort internt varmetilskud pga. meget udstyrMeget isoleret og tæt bygning og dermed lille varmetab


Døgnmiddeltemperaturen i en bygning en varm sommerdag kan tilnærmet beregnes af

hvorti og tu er hhv. inde- og udetemperaturen (°C)

Qi og Qsol er hhv. den totale interne varmebelastning og det totale varmetilskud fra solen over døgnet (Wh)

HT og Hv er varmetabet ved hhv. transmission og ventilation per grads temperaturforskel mellem inde og ude (W/K)

Døgnmiddeltemperatur

( )vT

soliui HH

QQtt

+++=

24

23


Eksempel på temperaturberegning

Sydvendt kontor, juniGulvareal: 15,4 m2

Vinduer: 6,4 m2, U=1,8 W/m2/K, afskærmningsfaktor, fs=0,6Facade: 2,6 m2, U=0,3 W/m2/K

Udetemperatur: tu=20°CSolindfald: 3020 Wh/m2

Varmetilskud fra intern belastning: Qi=2464 Wh

Varmetab ved ventilation: Hv=18 W/K (54m3/h ≈ 1,4h-1)

Døgnmiddeltemperatur i kontoret

Varmetab ved transmission: HT=1,8•6,4+0,3 •2,6=12,3 W/KVarmetilskud fra solen: Qsol=6,4 •3020 •0,6=11597 WhDøgnmiddeltemperatur

( )vT

soliui HH

QQtt

+++=

24

( ) C,,

tio339

1831224115972464

20 =+

++=


Reduktion af temperaturen

Indetemperaturen kan reduceres vedStørre ventilationStørre solafskærmningReduceret intern varmebelastning

Fordobling af ventilation, Hv=36 W/K

( ) C,,

tio132

3631224115972464

20 =+

++=

Fordobling af ventilation og større solafskærmning, fs=0,4 og Qsol=7731 Wh

( ) C,,

tio828

363122477312464

20 =+

++=

24


Betydning af orientering

Kontorets orientering har betydning for solindfaldet og dermed temperaturen

20

22

24

26

28

30

32

Syd Øst/vest Nord

Ind

etem

per

atur

(C

)

Ventilationstab: Hv=36 W/K

Solafskærmning: fs=0,4 og Qsol=7731 Wh


Opgave

Beregning af døgnmiddeltemperatur i juni

Beregn døgnmiddeltemperaturen for 2 kontorbygninger1. L*B*H=20m*20m*12m, etageareal 1600 m2

2. L*B*H=40m*10m*12m, etageareal 1600 m2

For begge bygninger betragtes to situationera) 50% af sydfacaden og 50% af nordfacaden er glasb) 50% af østfacaden og 50% af vestfacaden er glas

For begge bygninger gældertu=20°C, solindfald: syd 3020 Wh/m2, øst/vest 3580 Wh/m2, nord 1730 Wh/m2, fs=0.6U-værdi for vægge, tag og terrændæk: 0,2 W/m2KU-værdi for vinduer: 1,4 W/m2KIntern varmebelastning: Qi=256kWhVentilationstab: Hv=2400 W/K

1

2

25


Fremgangsmåde

Beregn areal af vinduer, Avin

Beregn areal af væg+tag+terrændæk, Avæg

Beregn transmissionstab HT=UvinAvin+UvægAvæg

Beregn varmetilskud fra solen, Qsol=”syd+øst+vest+nord”Beregn indetemperatur

( )vT

soliui HH

QQtt

+++=

24

Documents

Tektonik - Bygningers indeklima og energiforbrug - Bygningers... · 1 Tektonik Bygningers indeklima og energiforbrug Claus Topp Instituttet for Bygningsteknik Aalborg Universitet