Illustrasjonsfoto. Stålgården Nord i Trondheim har valgt . Foto Kjeldsberg Eiendom.

Energiløsninger i framtidens bygninger

Fagartikkel: Energirådgiver Usman Ijaz Dar, Sweco

0

Usman Ijaz Dar, PhD , Energiforsyning og bygningsklimatisering NTNU 

Måten vi bygger og bruker bygninger på er i stadig endring. Økt fokus på klimautfordringer har ført til at vi i dag bygger med stadig bedre energistandarder. Eksempel på disse er nye krav i TEK10 som har trådt i kraft fra 1. jan 2016 (med ett års overgangsperiode) eller passivhus standard NS3701 for næringsbygg og NS3700 for boliger. Dette medfører at nye bygninger får vesentlig mindre oppvarmingsbehov. Dermed blir varmtvannsforbruket dominerende i varmebehovet i mange av framtidens bygninger. Samtidig går utviklingen i retning av å øke arealeffektiviteten i næringsbygg og det gir stadig økte arealvektede internlaster. Samtidig er det viktig at personene som sitter i disse arealene har god tilgang til dagslys. Dette fører til at man ofte må velge store vindusareal og egenskaper som igjen skaper mye soltilskudd. Samlet sett ser Sweco at utviklingen går mot at framtidens yrkesbygg vil kreve mer fokus rundt kjølebehov enn oppvarmingsbehov, mens for boligbygninger vil behovet kun være varmtvannproduksjon.

Forenklet oppvarming og økt fokus på varmtvannsforbruk

Utfordringer for framtidens bygninger kan beskrives i tre enkle punkter.
 
·Det første er at oppvarmingsbehovet i bygninger går vesentlig ned. De trenger forenklede varmesystemer som gjør kostnad/utbytte attraktiv uten at det      går på bekostning av komfort og klima. Der har det kommet en del løsninger, blant annet oppvarming med tilluft, men det er fortsatt mye rom for              nytenking. 

·Det andre er relatert til varmtvannsbehov og som er jevnt over året, og trenger høykvalitetsvarme. Samfunnet har endret seg over tid, og i dag  har vi til  dels vesentlig forskjellig forbruk og bruksmønster en for 50 år tilbake. I min doktorgrad innen brukeratferd la jeg merke til at det mangler fakta  rundt  varmtvannsforbruk. Mye av dimensjoneringen av varmtvannsproduksjonen hittil har være basert på verdiene fra teknisk standard, eller helgarderte  erfaringstall. Fremtidens bygningers varmebehov er dominert av varmtvann, og en slik praksis betyr sløsing av ressurser og unødvendig belasting på  byggherre. Jeg er kritisk til teknisk forskrift, fordi det stilles ingen krav på dette området. Det finnes allerede flere gode produkter i markedet som kan gi    store besparelser på forbruksvannet. Jeg mener dette er et av områdene som trenger mer fokus i fremtiden.

· Det tredje punktet er kjølebehovet. Økt spesifikk internlaster og soltilskudd kommer til å ta mye fokus framover.

Kjølebehov står sentralt

Gamle bygg hadde ofte balanse mellom stort oppvarmingsbehov og en del kjølebehov, slik at varmepumpe kunne dekke oppvarmingsbehovet om vinteren og kjøres som kjølemaskin om sommeren. Å finne den balansen i nye bygg og forsvare kostnad/utbytte kommer til å være utfordrende. En klar oppfordring til alle er å tenke nytt og ikke vende seg automatisk mot gamle løsninger. Jeg mener at riktig oppsett for å finne løsninger er å tenke systematisk. Første steg i dette er da å redusere/fjerne kjølebehov ved å utnytte bedre bygningsutforming, energieffektiv belysning og utstyr, optimale vindusløsninger og ikke minst bruke bygningens termiske masse. Det har skjedd mye utvikling på alle disse punkter.

For å gi noen få eksempler for vindussystemer, kan det nevnes blant annet 180° vendbar vindu eller vinduer med prisme som gir høyre g-verdier om vinteren og lave g-verdier om sommeren. Disse sørger for at man utnytter solenergi mest om vinteren når det er behov for det, og reflekterer det om sommeren, slik at det ikke gir kjølebehov til bygget. Andre eksempler er: vinduer med faseendringsmaterial (PCM) som aktiverer seg på en viss temperatur,  slik at de holder romtemperatur på komfortabel nivå, vinduer med suspended particle device (SPD) kan styres fra 0 til 100% slik at man kan justere soltilskudd (g-verdi) og lys transmisjon (tvis) gjennom vinduer. Disse løsningene gir mulighet for å få en optimal styring av g-verdi og lystransmisjon som sørger for at man får godt inneklima samt tilgang til dagslys.

En annen tilnærming er å bruke bygningens termiske masse slik at inne temperaturen i brukstiden ikke stiger over komfortnivå ved at den termiske massen kjøles ned om natten. Dette er også kjent som nattkjøling eller frikjøling. Men for å anvende dette må man ha tilgang til tilstrekkelig termisk masse som kan absorbere varmetilskudd i brukstiden uten å skape mye overopphetning i oppholdsarealer. Til vanlig bruker man gips eller betong som termisk masse i bygninger, men dette gir ikke tilstrekkelig varmelagringsevne. Som resultat må man ofte bruke aktiv kjøling. Her er det ofte glemt at det ligger gode muligheter med faseendringsmaterialer (PCM) i dag med ferdiglagde veggplater, himlingsplater eller veggklosser(blokk) som lett kan monteres. En dobbel 15 mm PCM plate montert på vegg kan levere ekvivalent effekt som en 140 mm betongvegg. En skritt videre er å ta i bruk PCM i kombinasjon med ventilasjon slik at tilluft om natten kjøler ned PCM elementer. På dagtid når utetemperatur stiger så beholder PCM elementene tilluftstemperaturen på samme nivå og gir dermed besparelse sammenlignet med aktiv kjøling.

En utfordring har vært å dokumentere påvirkning av disse tiltakene mot myndighetenes krav. Sweco benytter seg av avanserte simuleringsverktøy blant annet IDA, ICE og Design Builder og disse kan anvendes til å vurdere kompliserte problemstillinger relativt enkelt. Sweco har vurdert forskjellige vindusløsninger og PCM i ulike sammenhenger, og ser at løsningene tilbyr gode muligheter. Samtidig mener jeg at det er et område hvor arkitektrene har mest innflytelse og at det er behov for bedre samarbeid mellom arkitektene og rådgivere.

Vil kjøle med varmen – i lag med fjernvarme

Når det gjelder aktiv kjøling skjer det mye. Her er det verdt å nevnte tre potensielle muligheter utover de vanlige løsningene som f.eks. kjølemaskin (også nevnt som varmepumpe) eller frikjøling fra sjøvann eller energibrønner.

En mulighet er bruk av adiabatisk kjøling. Metoden er basert på konseptet at temperatur i luften faller når luften absorberer vann. Ved å befukte avtrekksluften blir den kaldere enn uteluft. Kaldere avtrekksluft benyttes videre til å kjøle ned uteluften i gjenvinneren i luftaggregatet. Dermed tilsetter man ikke vann i tilluft men kjøler den ved bruk av gjenvinner. Metoden kalles indirekte adiabatisk kjøling og har blitt benyttet på Høgskolen i Bergen som kan vise til gode resultater. En begrensning ved metoden er at kjøleeffekten faller ved høy fuktighet og dermed ikke alltid er en fullgod løsning som spisslast.

En annen metode er en kombinasjon av ventilasjon og adsorpsjonskjøling. Metoden benytter varme til å kjøle ned tilluft. Prinsippet benytter seg av luftfuktighet i kombinasjon med adsorberende materialer. Det benyttes et roterende hjul (som gjenvinner ofte kalt dessicant wheel) med adsorberende materialbelegg. På tilluftsiden adsorberer hjulet fukt fra friskluft mens på avtrekk tilsetter man vann slik at avtrekksluften kjøles ned. Når tilluft gir fra seg fukt øker temperaturen. Tilluften kjøles ned igjen først ved å benytte gjenvinner mellom kaldt avtrekk og tørr tilluft og senere ved å tilsette vann. Tilluften blir på den måten flere grader kaldere enn uteluften. Avtrekken må oppvarmes ved å benytte en varmekilde f.eks. fjernvarme. Den passerer over «dessicant wheel» slik at den tar med seg fukten (som ble adsorbert fra friskluft) og gjøre hjulet klar for neste syklus.

Tredje interessante metode er absorpsjon kjølemaskin. Metoden bruker varme som kilde og leverer kjøling på lik linje med kjølemaskin som bransjen er vant til. Metoden krever imidlertid en varmekilde med høy temperatur og ytelsen er direkte avhengig av kildetemperatur. Markedet i dag har allerede flere produkter tilgjengelig som kan benytte seg av varmtvann på ca. 80°C. Metoden har dermed potensial som kombinasjonsløsning for bygg hvor man også har stort varmtvannsbehov.

Økonomisk viser beregninger de to sistnevnte metoder er sterkt avhengig av fjernvarmens tariffer. Samtidig gir metoden en vei videre hvor kjølesystem kan benytte seg av overskuddsvarmen fra avfallsbrenning og mindre bruk av elektrisitet. Så dette er et område hvor fjernvarmeleverandører kan finne nye markeder.

Oppsummering

Oppsummert ser Sweco at framtiden bringer nye muligheter for byggebransjen. Jeg ser flere framtidsløsninger og et klart behov for bedre og bredere samarbeid på tvers av forskjellige fag. Spesielt viktig er det at disse utfordringene vektlegges i tidlig i prosjekteringen. Jeg oppfordrer alle til å tenke bredt og se mulighetene i nye energiløsninger.