LUND UNIVERSITY

PO Box 117221 00 Lund+46 46-222 00 00

Betydelsen av värmetröga konstruktioner

Karlsson, Jonathan

Published in:Bygg & teknik

2010

Link to publication

Citation for published version (APA):Karlsson, J. (2010). Betydelsen av värmetröga konstruktioner. Bygg & teknik, 17-19.

Total number of authors:1

General rightsUnless other specific re-use rights are stated the following general rights apply:Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authorsand/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by thelegal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private studyor research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal

Read more about Creative commons licenses: https://creativecommons.org/licenses/Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will removeaccess to the work immediately and investigate your claim.

förhållandena blir krävande på grund avatt temperaturen i lokalen lätt blir hög.Det är kostsamt att kyla lokalen med enkylmaskin varför alternativet att utnyttjanattens lägre utetemperatur (nattkylan)tillsammans med möjligheten att lagradenna kyla i byggnaden används. Dettasker till exempel med hjälp av en luftkon-vektor som direkt eller via ett vätskeburetsystem transporterar in nattens kyla till ettbetongbjälklag. På så sätt kan man sparamiljö och kostnader för drift och under-håll av en kylmaskin, men det kräver attman har en konstruktion med hög värme-kapacitet som det är möjligt att sänkatemperaturen i under natten.

Värmetröghetens betydelseDet finns tre potentiella fördelar med vär-metröga byggnader: lägre energiförbruk-ning, ökad komfort och möjligheten attminska energiförsörjningssystemens stor-lek. Det som man huvudsakligen har dis-kuterat är möjligheten att spara energi,men i jakten på energisnåla byggnaderoch system får vi inte tappa bort kvaliténpå inneklimatet. Val av byggnadsmaterialär en viktig aspekt för det termiska inne-klimatet. Tunga material kan bidra tillökad komfort i innemiljön genom attdämpa temperaturvariationer och minskaövertemperaturer. Övertemperaturer ibyggnader är ett problem som kan blivanligare i framtiden då vi bygger alltflervälisolerade byggnader samtidigt somklimatet blir varmare. Tunga konstruktio-ner kan då – genom sin förmåga att lagravärme och jämna ut temperaturvariationer– bidra till ett bättre inneklimat.

En tredje aspekt av värmetröga kon-struktioner – förutom att de kan sparaenergi och ge bättre komfort – är att dejämnar ut effektbehovet, vilket är positivtför både fastighetsägarna och energileve-rantörerna. Eftersom termiskt tungabyggnader lagrar värme, behövs inte likastort värmetillskott vid en köldknäpp i ettsådant hus som i en lätt byggnad, ävenom de har samma U-värde. För fastig-hetsägaren medför detta att installerad ef-fekt i till exempel värmemaskiner ochtillhörande radiatorsystem kan vara mind -re i en tung byggnad än i en lätt, det villsäga att installationskostnaderna blir läg -re. För energileverantören innebär det attman minskar topplasterna kalla dagar omen stor del av fastighetsbeståndet bestårav termiskt tunga byggnader. Man kan då

17Bygg & teknik 5/10

Värmetrögheten i byggnader harbetydelse för energiförbrukning,komfort och dimensionering avenergisystem. Med värmetröghetmenar vi förmåga att lagra värmeoch kyla genom temperaturändringi material. Detta sker främst itunga konstruktioner av betong ochandra mineraliska material [1].Dess praktiska inverkan har disku-terats, och varierar givetvis bero-ende på den faktiska byggnaden,dess energiförsörjning med mera,men ofta anges det att man kanspara en till fem procent med passivenergilagring och fem till tjugo pro-cent med aktiv energilagring.

Värmelagring kan delas in i passiv ochaktiv lagring. Passiv värmelagring är vär-meupptagning av övertemperaturer – ex-empelvis ifrån solinstrålning, apparateroch människor – direkt i en konstruk-tionsdel genom värmeledning. Observeraatt även omhändertagandet av undertem-peraturer, det vill säga kyla också, innefat-tas i begreppet ”värmelagring”. Passivvärmelagring i byggnader sker främst ibetong, men även i andra material medhög värmekapacitet per volymenhet.

Aktiv värmelagring är omfördelningav värme i en byggnad genom aktiva sys-tem med pumpar, fläktar, kanalsystem et-cetera. En princip som är vanlig är att ut-nyttja nattkyla till byggnader med exem-pelvis kontorslandskap där datorer, män-niskor och solinstrålning gör att arbets-

FaktarutaVärmekapacitet per volymenhet ärmaterialets specifika värmekapacitetmultiplicerat med dess densitet(J/m3K), det vill säga hur mycket ener-gi som krävs för att ändra temperatu-ren på en kubikmeter material med engrad.

Betydelsen av värmetrögakonstruktioner

FaktarutaTidskonstanten τ är ett mått på hursnabbt en temperaturförändring sker.För en byggnad kan man mäta dengenom att stänga av energitillförseln enkall dag och se hur snabbt innetempe-raturen sjunker. För en tung byggnadkan tidskonstanten vara 300 timmar,medan tidskonstanten för en lätt bygg-nad med samma U-värde kan ligga runt100 timmar [3]. Tidskonstanten harstor betydelse för effektbehovet bådevintertid vid köldknäppar och vid var-ma dagar sommartid. Tidskonstantenhar också stor betydelse för känslighe-ten vid störningar i energiproduktio-nen, till exempel vid strömavbrott.

Artikelförfattare ärJonathan Karlsson,doktorand, Bygg -nadsmaterial,Lunds tekniskahögskola, Lund.

Schematiskbeskrivning av

hur den termiskamassan i en

byggnadpåverkar

inneklimatetstemperatur -

variationer [2].

köra sin energiproduktion på mer jämnnivå och slipper dyrare toppeffekter.Både fastighetesägaren och energileve-rantören vinner på värmetröga byggna-der. En byggnads termiska tröghet kankvantifieras med dess termiska tidskon-stant.

Exempel Göteborgs EnergiEtt intressant exempel på nyttan medtungt byggande är Göteborgs Energis

undersökning av hur man utnyttjar be-byggelsen och fjärrvärmenätet som ettenergilager. Man har mätt tidskonstan-terna (värmetrögheten) hos byggnadernasom är kopplade till fjärrvärmenätet. Det-ta gör man för att veta hur mycket värmeman kan utnyttja ifrån respektive bygg-nad. Man har även mätt upp vid vilka tid-punkter de olika områdena kräver mestenergi (dagliga topparna). När toppbelast-ningarna sedan kommer ligger redan vär-meenergi lagrad i bebyggelsen och ge -nom att låta byggnadernas temperatursjunka upp till en halv grad undviker manhöga toppeffekter i produktionsanlägg-ningarna [3]. Vanligtvis behöver dusch-ning på morgon och kväll en temporäruppstart av en extra energiproduktion vil-ket normalt är kopplat till fossila bräns-len. Detta innebär att Göteborgs Energikraftigt minskar sin användning av fossilabränslen.

Exempel omfördelning i ett kvarterInom byggsektorn försöker vi numerahålla fokus utifrån ett helhetsperspektiv.

Vi bör då kombinera olika byggnadersenergisystem för att ta till vara på småtemperaturskillnader under en längre tid,vilket ger goda resultat i ett längre tids-perspektiv. I mitt examensarbete vidLunds universitet [4] beskrev jag hur vär-mesystemen kan integreras i ett områdemed byggnader med olika brukarfunktio-ner och energikrav. Det fall som diskute-ras i examensarbetet är en kombinationav ishall, fotbollsarena, bandyarena, bad-

hall, konferenscenter, ettmindre köpcenter och ettunderjordiskt parkeringsga-rage. Dessa byggnader harvid olika tidpunkter över-skott på värme/kyla somkan komma till nytta genomatt omfördelas inom områ-det. Detta kan ske genom attutnyttja befintliga lågtem-pererade system kombineratmed olika former av energi-lagring. Några exempel påhur detta skulle kunna fun-gera:● Man kan utnyttja värme-avgivningen från kylmaski-ners kondensorer som en

del av värmesystemet genom att lagradenna överskottsvärme i det 0,5 metertjocka isolerade betongtaket i parkerings-garaget som är sektionerat i ett antal olikadelar där värme/kyla kan lagras. Dennavärme skulle då kunna utnyttjas även dåkylmaskinerna inte är i drift. ● Man kan utnyttja solinstrålningen påbandyarenans 5 000 kvadratmeter storasvarta tak genom att detta är konstrueratsom en solfångare. Eftersom värmentransporteras bort kyls taket, vilket ävenär positivt eftersom kylbehovet då mins -kar inne i arenan. Skulle detta extratill-skott av energi inte kunna utnyttjas direkt– i till exempel omklädningsrummens du-schar – kan det vara ett bra alternativ attäven lagra denna värme i parkeringsgara-

gets tak eller i en annan tung konstruk-tionsdel.● Klimatsystemet kan också förkylasgenom att dumpa den energi vi inte kan tatillvara från exempelvis köp- och konfe-renscentrerna ner i parkeringsgaragetsgolv eller i marken. Denna värme kan se-nare utnyttjas av värmepumpar där för-ångarna utnyttjar markvärmen och denlagrade värmen. ● Isavskrap ifrån bandy- och ishockey -arenorna är även ett möjligt alternativ förkylning. Exempelvis har Sundsvalls sjuk-hus gjort en effektiv besparing på 90 pro-cent av sin elförbrukning för kylninggenom att lagra snö under hela året, [5].

Detta helhetsperspektiv på ett områdemed olika verksamheter kan ge bety-dande energibesparingar om de olikaverksamheternas värme- och kylbehovkompletterar varandra.

Exempel bilhallEtt exempel på ett mindre energisystemsom använder sig av omfördelning avvärme med ett lågtemperatursystem är enbilhall i Eslöv där den huvudsakliga vär-mekällan är nio stycken värmepumpar. Idenna typ av byggnad med stora fönster -ytor blir det lätt höga temperaturer i vissadelar av lokalen när solen skiner. För attminska denna olägenhet har man ett golv-värmesystem där pumparna går även näringet värmebehov föreligger. På så sättomfördelas värme aktivt från delar av lo-kalen med övertemperaturer till resten avlokalen. Man utnyttjar på så sätt den storabetongplattans värmetröghet för att lagraenergi. Detta sker genom att värmesyste-met utnyttjar värmepumparna, solinstrål-ning och omfördelning av temperaturer ibyggnaden. Detta fungerar då man har enaktiv lagring i materialet som klarar av attomfördela energin i systemet på ett effek-tivt sätt. Den totala energiförbrukningenunder ett år för uppvärmning av tvätthall,bilhall och kontor var senaste året 17kWh/m2. Detta trots att det totala U-värdepå bilhallen har beräknats till 0,32W/m2K (passivhus ligger runt 0,12W/m2K). Inomhuskrav på temperatur var21 °C på kontor och 18 °C i bilhall.

Utnyttja värmetröga material bådei stommen och i klimatskaletI en byggnad är det viktigt att se helhetenkopplad till ägarnas, brukarens och sam-hällets krav både avseende den specifikabyggnaden och dess relation till omgiv-ningen. Energimässigt är detta en kom-plex situation som inte bara inkluderarbyggnadsfysik och arkitektur utan ävenfrågor som installationer, värme- och kyl-system, energislag, installerad effekt samtenergiproduktion. LTH driver därför ihopmed SP Sveriges Tekniska Forskningsin-stitut, LTU, Cementa och MKB Fastig-hets AB i Malmö nu ett Cerbof-finansieratprojekt där vi försöker beakta och invol-vera alla dessa kompetenser. Som en del i

18 Bygg & teknik 5/10

En fjärrvärmeleverantör kan utnyttja bebyggelsensom värmelager för att kapa effekttopparna.

I ett kvarter med olika sortersverksamhet kan man genommellanlagring utnyttja olikaöverskott av värme och kyla.

Detta är fullt realistiskt redan idag.

Överskottsvärme och kyla kanlagras i värmetröga byggnadsdelar,till exempel i ett parkeringsgarage.Där kan lämpligen taket isolerasoch användas för värmelagring

medan golvet utnyttjas för antingenkyla eller värme.

detta har vi delat upp energibalansen i endel kopplad till den inre stommen, det villsäga den del som beskrivits tidigare i arti-keln som passiv och aktiv värmelagring,och en del kopplad till klimatskalet.

Klimatskalet är intressant eftersomdygnsvariationer och väderförhållande ärolika på olika delar av en byggnadskon-struktion, jämför till exempel temperatur-belastningen för en grundläggning meden solbelyst fasad och ett tak, inser manatt dessa delar har helt olika temperatur-laster med tillhörande olika inverkan påinomhustemperaturen. I projektet stude-rar vi till exempel hur man effektivare

kan utnyttja den passiva lagringen i stom-me och klimatskal genom att anpassabyggnadsmaterial och konstruktionen iförhållande till klimat och väderstreck. Ärdet till exempel optimalt ur denna aspektför en sydfasad att ha betongen ytterst,innerst, både och eller enbart mitt i kon-struktionen? Genom detta upplägg hop-pas vi att i vårt gemensamma projekt kun-na optimera värmelagringen i byggnads-konstruktioner.

Av de material som används i byggna-der är det framförallt betong som är av in-tresse för värmelagring, och det är av in-tresse att se om dess termiska egenskaper

kan förbättras. Om vi använder magnetit(järnmalm) som ballast får vi en bättrevärmeledare och en bättre värmelagrare.Om vi istället tillsätter grafit i betongenskulle vi istället få bättre värmeledning,men lägre värmekapacitet.

Det redovisade Cerbof-projektet inne-fattar både ny- och ombyggnad. Speciellthar vi dock tillsammans med MKB ettsamarbete där vi planerar att vid en om-byggnad undersöka om man kan utnyttjavärmetröga konstruktioner för att sänkaenergiförbrukningen och förbättra inne-miljön. ■

Referenser [1]. Peck, M., Stark, dauerhaft, energi-

eeffizient – zukunftsfähiges Bauen mit Be-ton. Detail, 2010. 50(1-2): s. 64–70.

[2]. Storbritannien, Thermal mass forhousing, The Concrete Centre publica-tion.

[3]. Olsson Ingvarson, L.C. & S. Wer-ner. Building mass used as short termheat storage. The 11th International Sym-posium on District Heating and Cooling, .2008. Reykjavik, Iceland.

[4]. Karlsson, J., Hus utan kabel, i Exa-mensarbete. 2009, Fysiska institutionen,Lunds universitet. s 81.

[5]. Hedman, Å., Snökyla spar energipå Sundsvalls sjukhus, Fastighetstidning-en, nr 10 November. 2009.

19Bygg & teknik 5/10

Bilhall i Eslöv där man utnyttjar den termiska trögheten i golvet kombinerat medlågtemperatursystem.