9789144115887 by Smakprov Media AB

19 mm

Enno Abel & Arne Elmroth | BYGGNADEN SOM SYSTEM

Enno Abel och Arne Elmroth är väl etablerade och uppskattade experter inom sina specialområden, såväl i Sverige som utomlands. De är sedan länge ledamöter i Ingenjörsvetenskapsakademien (IVA), har producerat många böcker och artiklar samt är eftertraktade föreläsare både internationellt och nationellt. Författarna är utbildade vid KTH och är nu emeritusprofessorer i Göteborg respektive Lund.

BYGGNADEN SOM SYSTEM Byggnadsbeståndet i Sverige representerar ett stort värde. Det årliga nybyggandet omfattar fyra miljoner kvadratmeter vilket motsvarar drygt 100 miljarder kronor. Huvuddelen av vår tid tillbringar vi inomhus och ett bra inomhusklimat och en effektiv energianvändning är därför av yttersta vikt när nya hus ska byggas. Ny teknik har minskat behovet av energi för uppvärmning till ungefär hälften men trots detta har elförbrukningen ökat kraftigt. I Byggnaden som system presenteras en systematisk helhetssyn på hur byggnader fungerar inneklimat- och energimässigt, hur man får låg energianvändning och säkerställer ett behagligt inneklimat, när nya hus utformas eller gamla renoveras. Byggteknik och installationsteknik måste harmoniseras och denna balansakt kräver kunskaper i båda ämnena. I Byggnaden som system delar författarna med sig av sitt kunnande och mångåriga erfarenheter. Boken vänder sig till studenter vid tekniska högskolor samt yrkesverksamma byggare, ingenjörer och arkitekter. Den vänder sig i stora delar även till alla som är intresserade av byggnader och byggande.

BYGGNADEN SOM SYSTEM Enno Abel & Arne Elmroth

Fjärde upplagan Art.nr 37359 4:e uppl.

studentlitteratur.se

37359_cover.indd Alla sidor

2016-11-01 12:45

Denna titel har tidigare givits ut av Formas och utges från och med tredje upplagan av Studentlitteratur AB.

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 37359 ISBN 978-91-44-11588-7 Upplaga 4:1 © Författarna och Studentlitteratur 2012, 2016 studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbild: Martine Castoriano/Urbana hängsel, Malmö. Kim Utzon Arkitekter. Printed by Interak, Poland 2016

INNEHÅLL

Förord 11 Författarpresentationer 13 1 Inledning 17 Systemgränser 20 Värmeenergi och elektrisk energi 27 Bokens uppläggning 27 Litteratur 28 2 Verksamhets- och byggnadsspecifika funktionskrav 31 Byggprocessen 31 Funktionskrav 36 Verksamhetsspecifika krav och byggnadsspecifika krav 37 Tekniska lösningar 38 Konsekvensanalys 41 Konsekvensanalysen är en viktig del av projekteringen 41 Konsekvensanalys av krav 42 Konsekvensanalys i projekteringens inledningsskede 43 Litteratur 47 3 Inneklimat 51 Termiskt klimat, luftkvalitet och luftrenhet 51 Klimatfaktorer 52 Termiskt klimat 53 Metabolism och klädsel 53 Lufttemperatur 54 Operativ temperatur 54

I NNE H Å L L

PMV-index – värdering av termiskt klimat 55 PPD-index (%) – andel missnöjda med det termiska klimatet 56 Upplevelsen av termiskt klimat 56 DR-index – andel störda av drag 57 Vistelsezon 58 Luftföroreningar 59 Luft 59 Gasformiga föroreningar 59 Luktförnimmelse 60 Partikelformiga föroreningar 61 Föroreningar i uteluft 63 Föroreningar i rumsluft 65 Skyddsventilation, luftrenhet, barriär 71 Klimatkrav 72 Villkor 72 Klimatkraven ska vara absoluta 72 Klimatkraven ska vara underlag för projektering 74 Klimatkraven ska vara kontrollerbara 75 Rekommendationer 75 Litteratur 77 4 Byggnaden – principiell utformning 81 Byggnader förr och nu 81 Modernt byggande 85 Byggnaders klimatskärm 87 Förändringar i byggnads- och installationsteknik 87 Principer för utformning av moderna ytterväggskonstruktioner 90 Värmeisolering i ytterväggar och tak – materialval och egenskaper hos olika lösningar 92 Värmeisolering – fönster 94 Värmeisolering – grundkonstruktioner 95 Köldbryggor 99 Lufttätning – viktigt för energieffektivitet och fuktsäkerhet 101 Vindskydd 105 Fuktskydd – ångtransport 106 Fukttillskott 106 Ångdiffusion 107 Fuktkonvektion 108 Litteratur 110

I NNEHÅL L

5 Byggnaden och dess klimatsystem 113 Effekt och energi 114 De klimatstyrande installationernas uppgift 115 Betraktelsesätt 115 Rummets värmebalans 117 Jämviktstemperatur 117 Värmetransport genom rummets klimatskärm 117 Internvärme 118 Värmelagring i byggnadskonstruktionen 119 Värmeöverskott och värmeunderskott 120 Byggnadens och verksamhetens inverkan 122 Balanstemperatur 123 Bostäder och lokaler 124 Värmetillförsel 126 Systemet för värmetillförsel 126 Värmeförsörjning 126 Distributionssystem 129 Värmare 130 Styr- och reglersystem 131 Värmebortförsel 133 Tekniska installationer för värmebortförsel 133 Värmebortförsel med luft 133 Värmebortförsel med kylda ytor 134 Alternativa lösningar 136 Värmeöverskottet 137 Dimensionerande värmeöverskott 137 Värme från människor 137 Värme från apparater 138 Värme från belysning 138 Värme från solinstrålning 139 Fönstrens inverkan på klimatinstallationerna 139 Föroreningar i rumsluft 143 Luftkvalitet och luftrenhet 143 Luftburna föroreningar 144 Alstring av luftburna föroreningar 144 Betraktelsesätt 145 Bortförsel av luftburna föroreningar 146 Processen bakom rummets luftkvalitet 147 Litteratur 149

I NNE H Å L L

6 Bostadshusets energibalans 153 Poster i bostadshusets energibalans 153 Transmissionsförluster 154 Ventilationsbehov 155 Värmeförluster orsakade av luftläckning och fönstervädring 155 Värmebehov för tappvarmvatten 156 Distributionsförluster och reglerförluster 156 Fastighetsel 157 Hushållsel 158 Värmeåtervinning 159 Värmetillskott 160 Solinstrålning 160 Exempel på energianvändning i bostäder 161 Litteratur 162 7 Energibalansen i varaktighetsdiagram 165 Varaktighetsdiagram 165 Värmebalansen i varaktighetsdiagram 168 Värmeförlust genom klimatskärmen 169 Intern värmeutveckling 169 Bostadshus och andra byggnader med enbart värmebehov 172 Lokaler med behov av både värmetillförsel och värmebortförsel 173 Lokalbyggnaders värmebalans 175 Värmeunderskott och värmeöverskott 175 Totalt energibehov 177 Värmeenergi som måste tillföras rummen 177 Värmeenergi och elenergi för drift av installationer 178 Luftbehandling 178 Behandling av tilluft 178 Fuktning av tilluft 180 Värmeåtervinning 181 System för värmeåtervinning 181 Reglering av värmeåtervinningssystem 183 Värmeåtervinning i varaktighetsdiagram 184 Temperaturverkningsgrad och energiverkningsgrad 185 Fullständig värmebalans 190 Klimatsystemets värmebalans 190 Luftens kylförmåga 191 Litteratur 193

I NNEHÅL L

8 Kylning 197 Bortförsel av överskottsvärme 197 Värmebortförsel med luft 198 Värmebortförsel med kylda ytor 201 Kylning och energi 202 Alstring av kyla 202 Energibehovet för kylning 203 9 Ventilation 207 Begreppet ventilation 207 Ventilationsförloppet 208 Utspädningsekvationen 208 Föroreningsnivå i ett rum som används 209 Utvädring av ett rum där en förorening ska föras bort 210 Rumsventilationens effektivitet 211 Mått på ventilationens effektivitet 211 Ventilationseffektivitet 211 Luftutbyte 212 Några sammanfattande synpunkter 215 Ventilationsluftflödet 216 Kravet på luftkvalitet dimensionerar luftflödet 217 Kravet på temperaturhållning dimensionerar luftflödet 219 Behovet av ersättningsluft dimensionerar luftflödet 220 Exempel på luftflöden 220 Krav på luftrenhet dimensionerar luftflödet 223 Koldioxid 224 Koldioxid som indikator på luftens föroreningsnivå 224 Koldioxidhalt och luftflöde 225 Rumshöjdens inverkan 226 Indelning av ventilationssystem efter funktion 227 Indelningsgrund 227 Tilluften har utetemperatur 228 Tilluften är värmd 229 Indelning av ventilationssystem efter teknisk lösning 229 Teknisk indelning 229 Ventilationssystem 230 Variabelt luftflöde – DCV-system 232 Behovsstyrda ventilationssystem 232 Kanaltryck 233

I NNE H Å L L

Luftflödet styrs efter luftkvalitet 233 Luftflödet styrs efter rumstemperatur 233 Tilluftsdon 234 Kanalsystem 235 Dimensionerande luftflöde 235 Litteratur 235 10 Energieffektivitet 239 Byggnaders energianvändning 239 Systemgräns 240 Energieffektivitet 241 Husets funktion och kvalitet 242 Resursavändning och energibesparing 243 Resursanvändning 243 Energibesparing 244 Beräkning av byggnaders energibehov 245 Ekonomisk värdering 247 Lönsamhetsberäkning 247 Ränta 248 Nusumma och annuitet 249 Realränta 249 Kalkylränta 250 Korrigerad kalkylränta 250 Kalkylränta och relativa prisändringar 251 Tidsbegrepp 252 Ekonomiska metoder 253 Investeringsbeslut 254 Återbetalningsmetoden (payback) 254 Nyckeltal 266 Energinyckeltal 266 Nyckeltal för systemutformning 268 Exempel på nyckeltal 269 Energihushållning i befintliga hus 270 Åtgärder i bostadshus 273 Åtgärder i lokaler 275 Litteratur 277

I NNEHÅL L

11 Grundläggande samband 281 Grundläggande begrepp 281 Samspelet mellan energiformerna arbete och värme 282 Värmeströmning 285 Värmeöverföring i värmeväxlare 287 Värmeöverföringskoefficient 287 Medeltemperaturdifferens 288 Temperaturverkningsgrad, ηT 290 Värmetransport genom byggnadskonstruktioner 290 Värmegenomgångskoefficient 291 Värmemotstånd 291 Värmemotstånd hos luftspalter 294 Värmetransport genom fönster 296 Köldbryggor 298 Fukt och fuktströmning genom material och byggnadskonstruktioner 299 Diffusion 300 Fuktkonvektion 303 Ytkondensation 304 Energiekvationen 304 Bernoullis ekvation 305 Strömningsmaskiners effekt 306 Värmning av strömmande medier 307 Luftens entalpi 308 Luftens relativa fuktighet 309 hx-diagrammet för fuktig luft 310 Jämvikten mellan vatten och luft – luftens våta temperatur 311 Befuktning av luft genom insprutning av vatten eller ånga 313 Avdunstning från en vattenyta 314 Luftbehandling 315 Värmning av luft 315 Blandning av två luftflöden 316 Kylning av luft 317 Strömningssystem 318 Systemkaraktäristika 322 Maskinkaraktäristika 324 Driftpunkt 328 Några exempel 329 Värme – arbete 329 Strömningsmaskiners effektbehov 329

I NNE H Å L L

Fuktig luft 330 Fuktiga luftens entalpi 330 Fuktning av luft 330 Avdunstning från en vattenyta 330 Ändring av fläktens varvtal 331 Litteratur 333 12 Beteckningar 337 Bilagor 345 Sakregister 349

Kapitel 1

Inledning

Arkitektur, Sverige. Foto: Bildagentur Zoonar GmbH/Shutterstock

Inledning

Byggnadsbeståndet i Sverige har ett stort värde. Småhusen, flerbostadshusen och arbetslokalerna omfattar tillsammans en sammanlagd golvarea på cirka 550 miljoner kvadratmeter. Mer än tre fjärdedelar av byggnadsbeståndet är byggt efter 1950. Det totala värdet av det svenska byggnadsbeståndet torde ligga över 10 000 miljarder kronor. Det årliga nybyggandet är av storleksordningen fyra miljoner kvadratmeter, eller drygt 100 miljarder kronor. Vi vistas huvuddelen av tiden inomhus. Hälften av den elektriska energin och en tredjedel av den värmeenergi som används i Sverige går åt till att försörja byggnader och verksamheten i dessa. Husen representerar dels ett mycket stort värde, dels en betydande del av energi användningen. Det är viktigt att hålla dem i stånd och nyttja dem så effektivt som möjligt. Nybyggandet innebär från såväl den enskildes som från samhällets synpunkt stora resursinsatser. Det är viktigt att dessa resulterar i hus som på bästa sätt kan fylla sin huvuduppgift, nämligen att kunna användas för sitt avsedda ändamål. En grundläggande förutsättning för detta är en bra inomhusmiljö och en effektiv energianvändning. Inomhusmiljö är ett komplext begrepp som utöver den estetiska och funktionsmässiga upplevelsen av byggnaden och rummet i sig innefattar bland annat termiskt klimat, luftkvalitet, luftrenhet, ljus från belysning, dagsljus, akustik, bullernivåer, elektriska fält och annat. Föreliggande bok är inriktad på termiskt klimat, luftkvalitet, luftrenhet och den energianvändning som krävs för att åstadkomma inomhusklimatet, eller kortare inneklimatet. Moment som belysning, ljus, buller och akustik, ingår således inte. Det finns en omfattande litteratur inom dessa områden, som är viktiga i sig. Exempel på detta är [3.1], [1.1] och [1.2]. Allt byggande och alla hus är till för människor att bo i eller för att kunna bedriva någon form av verksamhet på ett rationellt sätt i. För detta måste inomhusklimatet vara sådant att människor befinner sig väl, att det vare sig kortsiktigt eller långsiktigt innebär någon risk för människors hälsa, samt att verksamheten fungerar så bra som möjligt. Inomhusklimatet måste alltid hållas i fokus. Nya byggnader måste

1 I nle d nin g

utformas så att ett acceptabelt gott inomhusklimat uppnås. Åtgärder i befintliga byggnader måste göras med sådan omsorg att inomhusklimatet blir bra. Husen svarar för en mycket stor del av vår totala energianvändning. Sedan slutet av 1970-talet har det skett en stor minskning av byggnadernas värmebehov. Det genomsnittliga specifika behovet av värme för uppvärmning kWhvärme/(m2 · år) har i stort halverats dels genom åtgärder i befintliga hus, dels genom att värmebehovet i de hus som tillkommit är litet. Samtidigt har användningen elenergi kWhel/(m2 · år) ökat. Huvuddelen av nya småhus byggda efter 1980 använder el för uppvärmning. I stor omfattning har den direkta elvärmen efterhand kompletterats med eller ersatts av värmepumplösningar, vilket inneburit ett effektivare elutnyttjande. I lokalsektorn är det elbehovet för drift av klimatanläggningar och för belysning som ökat. Dessutom används mer el för olika slags apparater, som datorer, trots att varje apparat blivit alltmer elsnål. Samtidigt har tillkommit miljoner elektriska apparater med ”stand-by” funktion, som alltid drar el, visserligen oftast rätt få watt, men dygnet om, året om. Det gäller alla elektriska apparater med klockor, i stort alla digitala tv-apparater, alla laddare till datorer med mera. Det finns en betydande potential för både en fortsatt minskning av värme behovet och för en minskning av elbehovet. Det finns mycket energi att spara med mindre resurser än vad som skulle krävas för att generera motsvarande mängd energi i ett förnyat försörjningssystem. Det är viktigt att denna sparpotential verkligen utnyttjas och att detta sker effektivt. Under senare år har det växt fram en ökad förståelse för att det befintliga byggnadsbeståndets energianvändning måste effektiviseras. Att så verkligen sker i större skala är en av förutsättningarna för ett framtida energieffektivt Sverige. Betydande insatser har bland annat gjorts inom två av Statens energimyndighet initierade samarbetsgrupper mellan stora fastighetsföretag, Beställargruppen för bostäder, BeBo1 och Beställargruppen för lokaler, Belok 2. På deras webbsidor finns omfattande material med råd, metoder, beräkningshjälpmedel, redovisningar om en mängd genomförda projekt med mera. En huvudorsak till att denna bok kommit till är författarnas övertygelse om att det krävs dels en väl genomtänkt helhetssyn på inomhusklimat och energi i byggnader, dels ett systematiskt angreppssätt för att alltid säkerställa såväl ett bra inomhusklimat som en hög energieffektivitet. Detta gäller både när man utformar nya hus och när man åtgärdar de hus som redan finns. Med helhetssyn avses här att man vid utformning av nya hus och vid åtgärder i befintliga hus alltid utgår från vilka krav verksamheten ställer och vad som påverkar vad. Tekniska lösningar måste väljas med hänsyn till hur de kommer att påverka helheten då husen används 1 www.bebo.se 2 www.belok.se

1 I nledning

för sitt ändamål. Författarna har efter mer än 50 års verksamhet inom området blivit övertygade om att en av förutsättningarna för en verklig helhetssyn är att det finns en inbördes förståelse och respekt för varandras områden mellan alla aktörer som medverkar i utformningen av huset. Det gäller främst områdena byggnadsteknik och installationsteknik, liksom i hög grad arkitektur. Det finns mellan dessa, i sig sammanhängande områden, skillnader i tänkandet och i vilka delar av fysiken som ligger till grund för systemutformning och tekniska lösningar. Dessa skillnader är naturliga. Värme och fukttransport genom en huskonstruktion måste behandlas från en annorlunda utgångspunkt än exempelvis strömningsförloppet i ett rör eller värmeöverföringen i en värmeväxlare. I slutänden ska dock alla delar fungera tillsammans i det färdiga huset. Det finns också en skillnad i hur man definierar systemgränser och hur man hanterar dessa vid analys av husets energi- och klimatfunktion. Även denna skillnad är förklarlig, men är man inte på det klara med att det finns olika systemgränser kan det bli svårt att till fullo förstå varandras tankegångar. Genom att föra samman de något skilda tankestrukturerna i byggnadsteknik och installationsteknik, kan man öka helhetssynen på hur byggnaden fungerar från inneklimat- och energisynpunkt. Ett av bokens syften är att bidra till detta. Den bärande linjen i det följande är att inomhusklimat och energi behandlas från både byggnads- och installationsteknisk synpunkt. Författarnas syfte är att belysa de systemsamband som bestämmer inomhusklimatet och de faktorer som bestämmer energibehovet. Strävan har varit att göra detta så att det blir tydligt och förståeligt oberoende av läsarens bakgrund och inriktning. Arne Elmroth har svarat för kapitel 4 och 6, som behandlar byggnadens principiella utformning respektive bostadshusets energibalans, samt för avsnitten om värme- och fukttransport genom byggnadskonstruktioner i kapitel 11. Enno Abel har svarat för resten. Den här uppdelningen av avsnitten mellan oss innebär dock inte att de står fria från varandra eller att det finns någon skillnad i synsätt. Varje avsnitt har penetrerats, diskuterats och ändrats tills vi varit överens om innehåll och upplägg. Exempelvis blev kapitel fem, som behandlar byggnaden och dess klimatsystem, omskrivet fyra gånger. Utan Arne Elmroths till att börja med kritiska synpunkter på kapitlet och de omskrivningarna som följde, hade kapitlet inte gett den helhetsbild som vi hoppas att det nu ger. Just arbetet med det kapitlet har varit klarläggande. Det var 50 år sedan vi först träffades på KTH. Därefter har vi många gånger diskuterat frågor som rör byggnaders inneklimat och energianvändning. I arbetet med kapitel fem blev det emellertid tydligt att vi under alla dessa år, utan att vara medvetna om det, ibland talat förbi varandra. Skälet till detta kunde vi härleda till olika referensramar och olika systemgränser eller ibland avsaknaden av systemgränser. Bland annat arbetet

1 I nle d nin g

med kapitel fem blev därmed en illustration av skillnaden i tänkesätt mellan två i grunden näraliggande teknikområden. Vår förhoppning är att boken, oberoende av läsarens bakgrund, ger en klar bild av dels byggnadens och verksamhetens inverkan på inomhusklimat och energi behov, dels den roll installationerna har.

Systemgränser Så snart man behandlar fysikaliska eller tekniska system, är det nödvändigt att tydligt definiera systemet och dess avgränsning. Om systemgränserna inte är väldefinierade, är det svårt att göra analyser som är verklighetsförankrade eller föra diskussioner som är meningsfulla. Inte minst gäller detta när man behandlar byggnader och deras funktion från inneklimat- och energisynpunkt. Det finns därför anledning att se något närmare på begreppen system och systemgräns. När man definierar ett system måste man göra klart för sig

■■ vad det är man önskar studera ■■ vilka storheter som definierar det ■■ vad som påverkar det. Hur systemgränsen väljs beror på analysens syfte. Vill man studera hur luften i ett rum påverkas av byggnaden och verksamheten i rummet lägger man systemgränsen kring rumsluften. Luftens tillstånd definieras av dess temperatur och dess innehåll av ångor, gaser och partiklar. Temperaturen påverkas av konvektivt tillförd värme i luftvolymen innanför systemgränsen och värmeutbyte genom systemgränsen, oberoende av värmets ursprung. Innehållet av gaser, ångor och partiklar påverkas av utvecklingen av dessa innanför systemgränsen och utbytet av dessa genom systemgränsen. Analysen av detta system kan bland annat visa hur mycket värme som måste tillföras eller föras bort, respektive hur mycket föroreningar som måste föras bort, för att säkerställa ett visst klimat. Vill man få ett kvantitativt grepp om värmeutbytet mellan luften i rummet och byggnaden, måste systemgränsen läggas kring hela rummet, dvs. så att fasaden med fönster och rummets golv, väggar och tak inkluderas. Det så definierade systemets värmefunktion beror av utetemperaturens variation, solinstrålningen, värmelagringen i byggnadskonstruktionen med mera. De beräkningar som krävs är normalt rätt komplicerade och görs bäst med hjälp av databaserade beräkningseller simuleringsprogram. För att luften i rummet ska få önskad temperatur och luftkvalitet måste föroreningar föras bort då luftkvaliteten tenderar att bli dålig, värme föras till rummet om temperaturen tenderar att bli för låg och värme föras bort då temperaturen

1 I nledning

tenderar att bli för hög. Detta kan ske på olika sätt med olika slags åtgärder som tillsammans bildar ett klimatstyrande system med en egen systemgräns. Hur omfattande och komplext detta klimatstyrande system måste vara beror på vad det ska åstadkomma, dvs. hur mycket föroreningar som måste föras bort och vilka värmeunderskott eller värmeöverskott det ska bemästra. För att klara sin uppgift behöver det klimatstyrande systemet tillförsel av energi. Hur mycket som krävs bestäms av det klimatstyrande systemets utformning. Man kan bestämma ett system genom att:

■■ välja en systemgräns ■■ identifiera de storheter som på ett relevant sätt definierar tillståndet i systemet

■■ identifiera de flöden eller utbyten genom systemgränsen som påverkar tillståndet.

Systemgränsen måste omsluta hela systemet och den får inte ändras under analysens eller resonemangets gång. Nedan visas först några exempel och sedan redovisas de systemgränser som tillämpas vid resonemangen som följer i boken. Systemgränsen lagd kring luften, dvs. mellan luften, rummets ytor och andra ytor i rummet – inga krav på luftkvalitet eller lufttemperatur, figur 1.1 Systemet innefattar endast rumsluften. Genom att välja denna systemgräns visar man hur rumsluftens tillstånd påverkas av uteklimatet, verksamheten i rummet och byggnaden. Som ett första steg i detta ser man på det fiktiva fallet att det inte ställs några krav på temperatur och luftkvalitet i systemet, dvs. rumsluftens temperatur och föroreningshalt bestäms av byggnadskonstruktionen och klimatskalet, uteklimatet och verksamheten i rummet.

Figur 1.1 Systemgräns kring rumsluften i ett rum utan temperaturstyrning. Rumstemperaturen bestäms av jämvikten mellan värme som förs till luften från verksamhet och byggnad och värme som förloras genom klimatskalet. Rumstemperaturen varierar med utetemperaturen. Se figur 5.3.

1 I nle d nin g

Luften tillförs:

■■ värme från alla ytor som är varmare än rumsluften – människor, apparater, lampor och väggytor

■■ föroreningar som avges av människor, apparater och material ■■ föroreningar som läcker in med luft genom klimatskalet. Från luften bortförs:

■■ värme till vägg-, golv- och takytor då dessa är kallare än rumsluften ■■ värme genom klimatskalet ■■ föroreningar som läcker ut genom klimatskalet. Systemgränsen lagd kring rummet, figur 1.2 Systemet innefattar både byggnadskonstruktionen, och luften. För att få en bild av hur byggnaden och rumsluften samverkar, måste systemgränsen läggas kring hela rummet, dvs. även inkludera byggnadskonstruktionen. Analysen ska bland annat utmynna i kvantitativa uppgifter om värme- och föroreningsutbytet mellan byggnadskonstruktionen och rumsluften under verkliga förhållanden, dvs. vid en lufttemperatur och en luftkvalitet som uppfyller ställda krav. Den ska inte inkludera åtgärderna för att få till stånd detta, dvs. värmesystem, ventilationssystem etc. Det gäller här att få fram underlag för bestämning av vad dessa system ska åstadkomma, utan knytning till hur det sker. Genom systemgränsen tillförs:

■■ elektrisk energi för apparater och belysning ■■ solstrålning som omvandlas till värme då den träffar fasta ytor ■■ föroreningar som läcker in med luft genom klimatskalet. I systemet alstras:

■■ värme från människor ■■ värme från belysning och apparater som omvandlar el till värme ■■ föroreningar som avges av människor, apparater och material. Genom systemgränsen bortförs:

■■ värme genom klimatskalet ■■ föroreningar som läcker ut genom klimatskalet.

1 I nledning

Systemet som innefattar byggnadskonstruktionen är från främst värmeteknisk synpunkt komplext och dess beräkningsmässiga behandling är krävande. Det finns dock många mer eller mindre avancerade beräkningsprogram för detta.

Systemgränsen lagd kring luften, dvs. mellan luften, rummets ytor och andra ytor i rummet – krav på luftkvalitet och lufttemperatur, figur 1.3 Systemet innefattar endast rumsluften. Detta val av systemgräns gör det möjligt att hantera rummets krav på luftkvalitet och önskad lufttemperatur. Det ställs krav på att rumsluftens temperatur ska ligga inom bestämda gränser och föroreningshalten får inte stiga över en bestämd nivå. För att rumsluftens temperatur ska hållas inom de gränser som krävs för människor och verksamhet måste:

Figur 1.2 Systemgräns kring rummet. I systemet ingår värmealstring i rummet, värmeutbyte mellan rumsluften och byggnadskonstruktionen och värmelagring i denna, solinstrålning samt värmeströmmar genom klimatskalet. En analys med denna systemgräns visar hur mycket värme som måste föras till eller föras från rummet för att uppnå en rumstemperatur inom givna gränser. Figur 1.3 visar detta. Denna systemgräns gäller normalt för simuleringsberäkningar.

■■ värme tillföras då värmeförlusten är större än värmealstringen i

rummet ■■ värme bortföras då värmeförlusten är mindre än värmealstringen. För att luftens föroreningshalt inte ska bli för hög måste:

■■ föroreningar föras bort då

alstringen av föroreningar i rummet och emissionerna från byggnadskonstruktionen leder till för hög föroreningsnivå.

Detta är grundsystemet, System A, i figur 1.4.

Figur 1.3 Föroreningar måste föras bort från rumsluften för att säkerställa luftkvaliteten. Värme måste föras till eller föras bort från rummet för att hålla rumstemperaturen inom givna gränsen. Se figur 5.4.

1 I nle d nin g

Systemgränsen lagd kring det klimatstyrande systemet, figur 1.4 Systemet omfattar alla åtgärder eller system som för bort luftburna föroreningar för att säkerställa luftkvalitet eller luftrenhet och som för till eller bort värme för att säkerställa termiskt klimat. Denna systemgräns är basen för val av och utformning av de klimatstyrande systemen. Den är också grunden vid analys av befintliga lokalbyggnaders energi och klimatbeteende. Genom systemgränsen tillförs:

■■ värme, el och eventuellt kyla som krävs för det klimatstyrande systemets drift.

Genom systemgränsen tillförs och bortförs luft. Systemet åstadkommer de funktioner som krävs för att rumsluften ska få det önskade tillståndet, dvs.

■■ för bort föroreningar från rumsluften ■■ tillför värme vid behov ■■ bortför värme vid behov. Figur 1.4 Det klimatstyrande systemet, som för bort föroreningar från rumsluften och för värme till eller från rummet. Detta är system B i figur 1.5. Byggnadens energibehov bestäms av det som det klimatstyrande systemet kräver, det bestäms inte av rummets behov av tillförsel eller bortförsel av värme.

Detta är System B i figur 1.5.

Olika delsystem kan sedan sättas samman i större system, alltefter vad man önskar studera. Valet av systemgräns ger olika slag av energibalanser. En energibalans utan en väl definierad systemgräns finns det därför anledning att ställa sig starkt frågande inför. Figur 1.5 visar de system och systemgränser som används i det följande. System A Systemet omfattar luften i det enskilda rummet. Systemgränsen ligger mellan rumsluften och rummets väggar, golv och tak, samt övriga ytor i rummet. Systemgränsen behövs för att hantera det enskilda rummets temperatur och luftkvalitet. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

1 I nledning

Temperaturen påverkas av det konvektivt avgivna värmet från människor och varma ytor i rummet och det konvektiva värmeutbytet mellan rummets väggar golv och tak. Rumstemperaturen påverkas inte av solinstrålning i sig. Då solstrålningen träffar en varm yta omvandlas den till värme som sedan avges konvektivt till rumsluften. Detsamma gäller all strålningsenergi, som ljus från belysning och värmestrålning från människor och apparater. Rumsluften förlorar värme genom transmission och luftläckage genom klimatskalet så snart utetemperaturen är lägre än rumstemperaturen. Tilluft genom don i ytterväggar i ett frånluftssystem innebär också att värme förloras i rummet till att värma tilluften. Om nettotillförseln av värme till rumsluften är mindre än värmeförlusten genom klimatskalet fås ett värmeunderskott som måste kompenseras för att temperaturen inte ska sjunka. Om nettotillförseln är större än värmeförlusten fås ett värmeöverskott som måste föras bort för att temperaturen inte ska stiga. Vidare tillförs rumsluften föroreningar från människor och emitterande utrustningar och i viss mån från byggnadsmaterial och inredningsmaterial. En viss transport av föroreningar sker genom luftläckage genom klimatskalet. Om nettotillförseln av föroreningar ger en föroreningsnivå som är oacceptabelt hög, har man ett föroreningsöverskott som måste föras bort. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

Figur 1.5 Definition av systemgränser.

1 I nle d nin g

System B Systemet omfattar de tekniska system som ska kompensera värmeunderskottet, föra bort värmeöverskottet och föra bort föroreningsöverskottet. Systemgränsen ligger runt alla system som har den uppgiften för hela eller möjligen vissa zoner av huset. Systemgränsen är inte knuten till vad det är för slag av tekniskt system, endast dess funktion. Systemet kan vara en avancerad klimatanläggning, som för bort stora värmeöverskott och bemästra föroreningar. Det kan också vara ett fönster som öppnas och då ger upphov till att värmeöverskott och föroreningar vädras ut. För att de system som ligger inom systemgränsen ska kunna fullfölja sin uppgift, måste genom systemgränsen tillföras värmeenergi, elenergi och eventuellt energi i form av kyla. System C Systemet omfattar de betjänande system, det vill säga alla de tekniska system som behövs för verksamheten i huset och som inte direkt är beroende av uteklimatet. Hit hör vatten och avlopp, eluttag för försörjning av apparater, belysning, datakommunikation, telefonsystem, styr- och övervakningssystem, hissar med mera. Genom systemgränsen tillförs elenergi och värme. Systemgränsen ligger mellan alla dessa system och användaren. System D Systemet omfattar hela huset. Systemgränsen ligger utefter husets klimatskal. I systemet ingår systemen A, B, och C och dessutom byggnadskonstruktionen med klimatskal, bärande konstruktioner med mera. System E Systemet omfattar energiomvandlande system i fastigheten. Här ingår exempelvis pannor, väremepumpar, solfångare, solceller, kylmaskiner etc. Det sker ett fort löpande direkt värmeutbyte med husets omgivning genom klimatskalet dels via värmetransmission, dels genom luftläckage. Det tillförs också solstrålning som absorberas av ytor i rummet och avges efter hand till rumsluften som värme. Allt detta är dock inkluderat i de värmeunderskott och värmeöverskott som uppstår i rumsluften, system A, och som det klimatstyrande systemet, system B, ska bemästra. Såväl värmeströmningar genom klimatskalet som solinstrålning är således beaktade indirekt när systemgränserna läggs enligt figur 1.5. Vid jämförelse av byggnaders energianvändning måste man tydligt ange huruvida omvandlingsförluster ligger inom eller utom huset. Officiell statistik håller alltför ofta inte ordning på detta, vilket resulterar i att husens energiprestanda inte kan jämföras. Vill man göra en total energibalans för hela huset, läggs systemgränsen kring © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

1 I nledning

hela huset, dvs. man väljer system D enbart och tar med de energiflöden som är relevanta för det man önskar belysa. Med detta val av systemgräns får man inte med samspelet mellan rumsluften och det klimatstyrande systemet, något som speciellt i lokalbyggnaden kan vara avgörande både för hur inomhusklimatet och energibehovet blir.

Värmeenergi och elektrisk energi Värmeenergi och elektrisk energi är två artskilda energiformer. I det följande görs konsekvent skillnad mellan dem: Värmeenergi betecknas Q Elektrisk energi betecknas W. Vi har valt att konsekvent skilja på el och värme med olika beteckningar, väl medvetna om att detta inte alltid görs på samma sätt i till exempel EN-standarder eller Boverkets byggregler. Motivet är att vi anser att det är angeläget att så tydligt som möjligt kunna särskilja el från värme i husens energibalanser. Detta gäller även beteckningssystemet i övrigt, där vi följer det system som är vanligt bland annat inom fysikområdet. Alla använda beteckningar definieras i kapitel 12, Beteckningar.

Bokens uppläggning Boken är inriktad på termiskt klimat, luftkvalitet och luftrenhet och den energianvändning som krävs för att säkerställa dessa. Tyngdpunkten ligger på systemsamband och på att bidra till förståelsen av vad som beror på vad. Syftet är att belysa samband, inte att visa tekniska detaljlösningar. Sådant som är väl behandlat i andra sammanhang berörs endast översiktligt eller som illustrativa exempel, men då sker det med hänvisningar till fördjupande litteratur. Bokens inledande sex kapitel, kapitel 1–6, riktar sig till alla som har anknytning till byggnadsområdet. Förhoppningen är att exempelvis byggherrar och fastighetsförvaltare, arkitekter, byggnadsfysiker och byggnadskonstruktörer kan finna moment av värde i dessa kapitel. Detsamma gäller kapitel 9 och 10. Alla här nämnda kapitel kan vara av intresse även för den som inte har någon direkt knytning till hus och byggande, men ändå har ett intresse för området. Kapitel 7 och 8 är något mer tekniska och riktar sig främst till den som mer direkt arbetar med klimatstyrande installationer.

1 I nle d nin g

Kapitel 11 slutligen, ger en sammanfattning av de fysikaliska samband som byggnadsfysik, värmeteknik, kylteknik och ventilationsteknik bygger på. Elteknik är inte medtagen. Varje kapitel inleds med en kort sammanfattning av de väsentligaste momenten.

Litteratur 1.1 Andersson, J. (1998). Akustik & Buller. Byggtjänst Förlag. 1.2 Starby, L. (1998). En bok om belysning. Ljuskultur.

19 mm

Enno Abel & Arne Elmroth | BYGGNADEN SOM SYSTEM

BYGGNADEN SOM SYSTEM Enno Abel & Arne Elmroth

Fjärde upplagan Art.nr 37359 4:e uppl.

studentlitteratur.se

37359_cover.indd Alla sidor

2016-11-01 12:45