Rumsklimatet MILJÖN MELLAN VÄGGARNA
Sune Häggbom
KOPIERINGSFÖRBUD Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.
Art.nr 43320 ISBN 978-91-44-14109-1 Upplaga 1:1 © Författaren och Studentlitteratur 2021 studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Illustrationer: Jonny Hallberg Formgivning inlaga: Jesper Sjöstrand/Metamorf Design Group Ombrytning inlaga: Henrik Hast Formgivning omslag: Francisco Ortega Omslagsbild: Shutterstock.com Printed by Dimograf, Poland 2021
Innehåll
Förord 11
1 Inomhusmiljö 13 1.1
1.2
1.3 1.4 1.5
Termisk komfort 13 1.1.1 Lufttemperatur 13 1.1.2 Individuell temperaturreglering 14 1.1.3 Strålningstemperatur 15 1.1.4 Operativ temperatur 15 1.1.5 Riktad operativ temperatur 17 1.1.6 Temperaturgradienter 17 1.1.7 Verksamhetens termiska påverkan 18 Luftkvalitet 20 1.2.1 Luftväxling 21 1.2.2 Personbelastning 21 1.2.3 Emissioner från byggnadsmaterial 22 1.2.4 Emissioner från verksamheten 23 1.2.5 Radon 23 Rumsluftens fuktighet 27 Belysning 28 Buller från installationssystem 29
2 Uteklimat 31 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
Lufttemperatur 31 Vindhastighet 31 Kortvågig solstrålning 32 Långvågig värmestrålning 34 Luftfuktighet 38 Lufttryck 38 Samband mellan klimatparameterar 39 2.7.1 Vind och utetemperatur 39 2.7.2 Fuktinnehåll, temperatur och tid 39
3 Byggnadens egenskaper 43 3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
Värmeisolering 43 3.1.1 Byggnadsmaterial 44 3.1.2 Värmeövergångstal / övergångsmotstånd 46 3.1.3 Endimensionella värmeflöden 46 3.1.4 Flerdimensionella värmeflöden 47 3.1.5 Mark 50 3.1.6 Fönster 51 Värmekapacitet 55 3.2.1 Allmänt om värmekapacitet 55 3.2.2 Medverkande intern värmekapacitet 55 3.2.3 Klimatskalets värmekapacitet 58 3.2.4 Tidskonstant 60 3.2.5 Newtons avsvalningslag 61 3.2.6 Värmekapacitet i mark 62 3.2.7 Värmekapacitet och värmereglering 63 Lufttäthet och luftläckage 65 3.3.1 Vindtryck 66 3.3.2 Ventilation och luftläckage 67 3.3.3 Termik och invändiga avgränsningar 69 Påverkan av solinstrålning 70 3.4.1 Solinstrålning via glas 71 3.4.2 Solskydd 73 3.4.3 Solinstrålning mot opaka ytor 75 Fukttillstånd 75 3.5.1 Fuktkvot-Temperatur-Relativ fuktighet 75 3.5.2 Fuktskador 76 3.5.3 Konvektionsöppna material 76 3.5.4 Lufttäta kapillärsugande material 76 3.5.5 Fuktdynamik 77 3.5.6 Fukttransport i klimatskal 82 3.5.7 Markfukt 88 3.5.8 Köldbryggor 91
4 Ventilationssystem 93 4.1
4.2
6 Innehåll
Behovsstyrt flöde 93 4.1.1 Flödesreduktion vid låg relativ fuktighet 93 4.1.2 Forcering i samband med matlagning 94 4.1.3 Behovsstyrning av flöde i lokaler 94 Luftflöden inom ett rum 95
4.3 4.4 4.5
4.6 4.7 4.8
Ventilationseffektivitet 95 Självdragssystem 96 4.4.1 Fläktförstärkt självdragssystem 97 Mekanisk ventilation 97 4.5.1 Frånluftssystem 97 4.5.2 Från- och tilluftssystem 98 4.5.3 Specifik fläkteffekt (SFP-tal) 98 Ventilationssystem och termik 99 Vertikal sektionering av ventilationssystem 100 Vädring 101
5 Värmeväxlare i ventilationssystem 103 5.1
5.2
5.3 5.4 5.5 5.6 5.7
Verkningsgrad 103 5.1.1 Temperaturverkningsgrad 103 5.1.2 Energiverkningsgrad 104 Plattväxlare 105 5.2.1 Korsströmsväxlare 105 5.2.2 Motströmsväxlare 106 Roterande växlare 107 Kammarväxlare, växlare med växlingsspjäll 108 Vätskekopplade växlare 109 Värmerörsväxlare 110 Användningsområden 110
6 Värmepumpar 113 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
6.6 6.7
Värmepumpar med kondenserande köldmedium 113 Värmepumpar med koldioxid som köldmedium 116 Bergvärmepump 117 Markvärmepump 117 Uteluftsvärmepump 117 6.5.1 Uteluftsvärmepump luft/vatten 118 6.5.2 Uteluftsvärmepump luft/luft 118 Frånluftsvärmepump 118 Värmepumpar och värmesystem 118 6.7.1 Kondenserande köldmedier 119 6.7.2 Koldioxid som köldmedium 119 6.7.3 Värmepumpar i större system 119 6.7.4 Värmepumpar i mindre värmesystem 121
Innehåll
7
7 Solfångare för värmeproduktion 125 8 Solceller för elproduktion 127 9 Förbränningspannor 129 9.1 9.2
Oljeeldning 129 Fastbränsleeldning 129
10 Värmesystem 131 10.1 10.2
10.3 10.4 10.5
Direktverkande elvärme 131 Vattenburen värme 132 10.2.1 Allmänt om reglering och förluster 132 10.2.2 Radiatorer och konvektorer 132 10.2.3 Golvvärme 137 Komfortgolvvärme 139 Takvärmesystem 141 Luftvärmesystem 141
11 Komfortkyla 143 11.1
11.2
Kylförsörjning 143 11.1.1 Kylmaskiner 143 11.1.2 Fjärrkyla 145 11.1.3 Passiv kyla 145 11.1.4 Kylning med evaporativ kyla 146 Kyldistribution 147 11.2.1 Kylning med tilluft 147 11.2.2 Kylning med DX-kyla 148 11.2.3 Kylning med köldbärare 148
12 Avfuktning 151 12.1 12.2
Sorptionsavfuktare 151 Kylavfuktare 152
13 Befuktning 153 13.1 13.2 13.3
8 Innehåll
Ångbefuktning 153 Vattendimma 153 Direktförångning 153
14 Fysikaliska begrepp och naturlagar 155 14.1 14.2 14.3
14.4
Allmänna gaslagen 155 Värmestrålning 156 Kondensation och förångning 157 14.3.1 Hygroskopiska salter 158 14.3.2 Tillämpningar 158 Energibalans och massbalans 158 14.4.1 Energibalans 158 14.4.2 Massbalans 159
15 Arbetsmetoder och hjälpmedel 161 15.1
15.2
15.3 15.4 15.5 15.6
Kontroll av inomhusmiljö 161 15.1.1 Utredning av luftkvalitet 161 15.1.2 Utredning av rumsklimat 163 Energiberäkningar 164 15.2.1 Empiriska metoder 164 15.2.2 Simuleringsmetoder 165 15.2.3 Validering av beräkningsprogram 166 15.2.4 Indata och beräkningsmetodik 167 15.2.5 Resultatanalys 168 Fuktberäkning 170 Flerdimensionella värmeflöden 170 Computational fluid dynamics CFD 171 Mätmetoder 172 15.6.1 Energimätning 172 15.6.2 Lufttäthet 176 15.6.3 Mätning av U-värde 178 15.6.4 Fuktmätning 178 15.6.5 Mätning av luftkvalitet 181 15.6.6 Radonmätning 182 15.6.7 Spårgasmätning 182
Innehåll
9
Formelsamling 15.7 15.8 15.9 15.10 15.11 15.12 15.13 15.14 15.15 15.16 15.17 15.18
Värmeavgivning för radiator och konvektor 187 Luftläckage 188 Dynamiskt tryck 188 Termiktryck 188 Koncentration 188 Ventilation 189 15.12.1 Specifik fläkteffekt SFP-tal 189 Värmestrålning 189 15.13.1 Vinkelkoefficienter för värmestrålning 189 Tidskonstant 190 Newtons avsvalningslag 191 Samband mellan fukt och temperatur 191 Diffusion 191 Bernoullis ekvation 192
Register 193
10 Innehåll
Förord
Boken handlar om att kvalitetskrav som ställs på rumsklimatet eller miljön mellan väggarna får konsekvenser i form av energianvändning och förbrukning av andra resurser. Det krävs medel i form av investering och drift och arbetsmetoder för att nå målsättningen. Det finns ett ömsesidigt beroende och en påverkan mellan byggnadens olika egenskaper, system för ventilation, värme och kyla, verksamheten och det yttre klimatet. För att uppnå ett bra resultat och minska risken för misstag vid projektering och drift av byggnader är det nödvändigt att ha en kunskap om dessa funktioner och beroenden. Ökade krav på resurshushållning driver byggandet mot mer komplicerade system som ökar kunskapskraven.
Ventilation
Kyla Verksamhetsenergi
Fukt Värmetransport
Personvärme Emissioner Fukt
Värmestrålning
Dagsljus Solvärme
Luftläckage Materialemissioner
Värme
Radon
11
Boken är i huvudsak inriktad på termisk komfort och luftkvalitet men berör även andra frågor som buller och belysning. Bokens underlag är inhämtat under 35 års konsultarbete inriktat på att utröna hur byggnader med dess installationer fungerar, påverkade av en verksamhet och ett uteklimat. Under dessa år har insikten växt om att detta är ett komplicerat område. Alltför många personer drabbas av hälsoproblem av fuktskadade byggnader och alltför många byggnader uppnår inte uppsatta energimål. Boken vänder sig till såväl studenter som personer som arbetar med planering och förvaltning av byggnader. Det är min förhoppning att den i någon mån ska öka kunskapen inom detta område och leda till resurssnålt byggande med bra inomhusmiljö. Täby december 2020
© F ÖRFAT TAREN OCH S T UDEN TL IT TER AT UR
Författaren
12 Förord
Kapitel 1
Inomhusmiljö
Krav på inomhusmiljö kan delas in i termisk komfort, som är temperaturrelaterat, och luftkvalitet som handlar om luftens innehåll av föroreningar och fukt. Även balans mellan dagsljus och konstbelysning liksom ljudnivåer är viktiga komponenter som påverkar hur vi upplever inomhusmiljön. I denna bok behandlas i huvudsak termisk komfort och luftkvalitet. De krav vi sätter på inomhusmiljön påverkar resursbehovet vid byggande och drift av byggnader.
1.1
Termisk komfort
Vår upplevelse av termisk komfort är delvis beroende av lufttemperaturen, men även av temperatur på omgivande rumsytor och lufthastighet. I viss mån spelar även relativ fuktighet in.
1.1.1
Lufttemperatur
Gränser för acceptabel rumstemperatur varierar för olika typer av verksamhet. Temperaturen ska avpassas så att kroppen kan avge värme med hudtemperaturen 32–34 °C. I bostäder och kontor med relativt låg fysisk aktivitet är 20–26 °C optimal lufttemperatur. Utanför dessa gränser påverkas välbefinnande och prestationsförmåga negativt. I verksamheter med fysiskt tungt arbete, som kanske även kräver skyddskläder, kan rumstemperaturer runt 16–18 °C kännas mer behagligt. Rumstemperaturen bör även anpassas till temperaturen utomhus. Varma sommardagar kan det av hälsoskäl finnas anledning att inte upprätthålla alltför stora temperaturskillnader mellan ute och inne.
13
1.1.2
Individuell temperaturreglering
I kontorshus sätts ibland krav på individuell reglering av rumstemperaturen i enskilda kontorsrum. Det är inte ovanligt med god termisk kontakt mellan kontorsrum. Mellanväggar kan bestå av en enkel glasskiva. Öppna dörrar mellan kontorsrum och korridorer ökar kontakten ytterligare. Om kylsystem och värmesystem tillåts vara i drift samtidigt kan värmesystemet tillföra värme i vissa kontorsrum samtidigt som kylsystemet tillför kyla i andra rum, och det är bara värme- och kylsystemens tillgängliga effekt som begränsar energianvändningen. För att undvika onödig energianvändning bör individuell rumsreglering kombineras med isolering mellan rum och en styrutrustning som känner av om kontorsrumsdörrar är stängda och inte tillåter att värmesystemet är i drift samtidigt som kylsystemet. I flerbostadshus är det svårt att uppnå någon väsentlig temperaturskillnad då det oftast saknas värmeisolering mellan lägenheter. I takt med att värmeeffekten till radiatorer minskar på grund av energieffektivisering av klimatskal och ventilationssystem minskar möjligheterna ytterligare för individuell reglering av temperaturen i enskilda lägenheter.
14
Kapitel 1 Inomhusmiljö
© F ÖRFAT TAREN OCH S T UDEN TL IT TER AT UR
En person med kontorsarbete omsätter cirka 140 W. Vid 20 °C och med normal inomhusklädsel avges cirka hälften av energin som värme och hälften genom förångning av fukt från hud och via andning. Med ökad ansträngning, ökad klädsel och förhöjd omgivningstemperatur ökar hudtemperaturen och fördelningen förskjuts så att andelen värmeavgivning minskar och andelen förångning av fukt ökar. Personen börjar med andra ord att svettas. Möjligheten att kyla genom förångning är beroende av den relativa fuktigheten i omgivande luft. En person kan därför tåla en högre rumstemperatur om den relativa fuktigheten sänks. Termisk komfort är ett resultat av lufttemperatur och fuktighet. Den är dessutom beroende av temperaturer på omgivande ytor som beskrivs i avsnittet 1.1.4 Operativ temperatur. Relativ fuktighet beskrivs i avsnitt 3.5 Fukttillstånd. Ju snävare gränserna sätts mellan lägst och högst tillåten inomhustemperatur, desto mindre mängd överskottsenergi från sol och verksamhet dagtid kommer att kunna lagras i byggnadsmaterial. Värmelagringen kan i gynnsamma fall användas för att reducera energibehovet under nätter eller kylbehovet dagtid. Mer om detta i avsnitt 3.2 Värmekapacitet. Som underlag för dimensionering av byggnadens klimatskal och installationssystem för värme och kyla är temperaturkrav normalt kopplade till en viss lägsta eller högsta dimensionerande utomhustemperatur under ett normalår. För dimensionering av komfortkyla sätts även en gräns för dimensionerande luftfuktighet. Mer om detta i avsnitt 11 Komfortkyla.
1.1.3
Strålningstemperatur
Alla ytor sänder ut långvågig värmestrålning. Om två ytor med samma yttemperatur exponeras mot varandra blir netto strålningsutbyte noll. Om en yta är svalare överförs värme från den varmare till den svalare ytan. Värmestrålningens effekt beräknas enligt Stefan-Boltzmanns lag.
En materialyta sänder ut värmestrålning enligt Stefan-Boltzmanns lag. Ρ = σ × ε × (T h4 – T c4) (W) σ Stefan-Boltzmanns konstant 5,67 × 10 –8 W/m2K4 ε Emissionskoefficent. Normalt 0,94–0,97 T Absoluta yttertemperaturen (K)
© F ÖRFAT TAREN OCH S T UDEN TL IT TER AT UR
h och c avser hot resp cold
Strålningstemperaturen är det sammanvägda medelvärdet av omgivande yttemperaturer. För en totalt reflekterande yta är emissionskoefficienten 0,0 och för en helt svart 1,0. Med undantag för vissa speciella material har emissionskoefficienten ett värde mellan 0,94 och 0,97. Det gäller till exempel även glasytor som, när det gäller långvågig värmestrålning, är i det närmaste ”svarta”. Under kapitlet 3.1.6 Fönster beskrives hur glas kan ytbehandlas för att reducera emissionskoefficienten.
1.1.4
Operativ temperatur
Den i medeltal upplevda temperaturen, som kallas operativ temperatur, är ett resultat av värmeutbyte via konvektion med omgivande rumsluft och via värmestrålning med omgivande ytor exponerade mot kroppen. Låga yttemperaturer på fönsterytor och dåligt isolerade ytterväggar medför krav på högre lufttemperatur för att uppnå samma upplevelse som när omgivande ytor har samma temperatur som rumsluften. Strålningsutbytet mellan en kropp och en annan yta är beroende av hur väl ytan är exponerad mot kroppen. Exponering beror på infallsvinklar och avstånd. I exemplet i figur 1.1 påverkas kroppen A mer av yta C än av yta B. Flyttas A närmare B ökar inverkan av B. Varje enskild yta svarar för en andel av strålningsutbytet med en kropp och dessa andelar beskrivs med vinkelkoefficienter. En person stående framför ett fönster är i huvudsak exponerad för fönstrets och ytterväggens yttemperatur på magen och innerväggarnas temperatur på ryggen och sidorna. Bara huvudets översida är exponerad för taktemperaturen. Sittande i en fåtölj är personen mer exponerad för taktemperaturen.
Kapitel 1 Inomhusmiljö
15
Sune Häggbom har sedan början av 1980-talet varit verksam som konsult inom byggbranschen med inriktning på rumsklimat och resurshushållning.
Rumsklimatet MILJÖN MELLAN VÄGGARNA Boken beskriver utförligt hur rumsklimat skapas med kombinationer av bygg- och installationsteknik. Det är kunskap som erfordras vid planering och förvaltning av sunda och energieffektiva byggnader. Boken kan användas vid utbildning inom universitet, högskola, gymnasium och vidareutbildning av yrkesverksamma inom byggbranschen. För att reglera rumsklimat så att det passar olika verksamheter behövs system för ventilation, värme, kyla, befuktning och avfuktning. Val av system ska även anpassas till en yttre miljö som är under förändring mot ett varmare och fuktigare klimat. Under de senaste 40 åren har nya byggnadstekniska och installationstekniska system utvecklats bland annat för att möta ökade krav på energieffektivisering. Det har i många fall lett till utveckling av alltmer känsliga systemlösningar. Erfarenheter från dessa år har visat att mindre lämpliga kombinationer av byggnadstekniska och installationstekniska systemlösningar kan orsaka fuktskador, hälsoproblem och onödig energianvändning. I många fall har system valts utan hänsyn till naturlagar som styr fuktförhållanden, termik, värmeflöde mm. Boken innehåller ett flertal exempel på samband mellan systemfunktioner och fysikens lagar som vi alltid måste förhålla oss till.
Art.nr 43320
studentlitteratur.se