Naturlig klimatisering av kontorbygg

De fleste moderne kontorbygg har omfattende tekniske installasjoner. Ofte er anleggene for ventilasjon, oppvarming og kjøling betydelig overdimensjonert, det er gjerne driftsmessige problemer og energibruken blir høyere enn forventet. Mange av komponentene i et slikt anlegg krever mye driftsoppfølging og vedlikehold og må ofte skiftes ut etter 5-15 år.

Antitesen til mekanisk klimatisering er naturlig klimatisering hvor bygget i stor grad ventileres, oppvarmes og kjøles med passive tiltak. Naturlig ventilasjon og passiv kjøling er gamle teknikker som også har vært brukt i bygg på 70-, 80- og 90-tallet.

Det nye nå er å kombinere dette med passiv oppvarming, som baserer seg på at internvarme og solvarme varmer opp bygget helt eller delvis. Bygget 2226 i Lustenau i Østerrike tegnet av Baumschlager Eberle er det mest kjente eksemplet. Det er bygget uten mekanisk ventilasjon, varme eller kjøling.

Ekstreme krav til utforming av bygget
Kombinasjonen av kun naturlig ventilasjon og passiv oppvarming er en stor utfordring, og krever at man ser på inneklima på en ny måte. Samtidig må man sette relativt ekstreme krav til utforming av bygget. Slike alternative krav har selvsagt en «kostnad», både for byggets design, hvordan det kan brukes og fleksibiliteten ved endret bruk av bygget. Samtidig kan det gi store besparelser, både miljømessig og økonomisk.

Ønsker man å utvide begrepet naturlig klimatisering kan dette også omfatte dagslys og solskjerming. I teorien vil det i noen klima være mulig å basere seg kun på dagslys i vanlige brukstider for et kontorbygg, og dermed vil det tilnærmet være mulig å klare seg uten energibruk til kunstig belysning. For solskjerming er det også mulig å klare seg med kun passiv og bygningsintegrert solskjerming uten bevegelige deler.

Artikkelen fortsetter under bildet:

Gullhaug torg høyde ILL Snøhetta-MIR.jpg
Gullhaug Torg er et pilotbygg i Naturligvis og et forbildeprosjekt i FutureBuilt. Utbygger: Avantor. Illustrasjon: Snøhetta/MIR
 
Alternative krav til inneklima
Norge har trolig de strengeste kravene i verden til inneklima og luftmengder. For eksempel er det vanlig å tilføre omtrent dobbelt så høye luftmengder i norske kontorbygg som i svenske, selv om Sverige internasjonalt er kjent for å ha strenge inneklimakrav.

Skulle slike krav til luftmengder følges i et naturlig ventilert bygg, ville det føre til et enormt oppvarmingsbehov (effekt og energi), samt store problemer med trekk om vinteren. Luftmengder må derfor reduseres kraftig i kalde perioder av året, men kan økes etter hvert som utetemperaturen blir høyere, og om sommeren kan man tilføre til dels høye luftmengder. Dermed unngår man stort oppvarmingsbehov, og trekkproblemene er lettere å løse.

Forenelig med forskningsresultater
Spørsmålet er om de lave luftmengdene om vinteren vil føre til dårlig luftkvalitet. Ifølge forskning fra blant annet Danmarks Tekniske Universitet er opplevd luftkvalitet meget god selv med så lave luftmengder som 4 l/s per person - hvis innetemperaturen holdes ned mot 20 °C og samtidig ikke har høy relativ fuktighet. Dette er enkelt å oppnå i kalde perioder (under ca -10 °C). Samtidig viser studier at relativ fuktighet under 15 % om vinteren bør unngås. Dette oppnås også best ved å holde luftmengdene på et moderat nivå, samtidig som innetemperaturen holdes ned mot 20 °C. Forutsetningen for å tilføre så lave luftmengder som 4 l/s per person er at avgassingen fra materialer er meget lave. Det vil si at det kun må brukes materialer med neglisjerbar avgassing.     

Åtte mulige konsepter for å forenkle klimatisering
Den første intuitive løsningen for å forenkle klimatiseringssystemet, er å gå fra aktive løsninger med bevegelige deler til helt passive løsninger uten bevegelige deler. Et velkjent eksempel er en velisolert bygningskropp som kan redusere behovet for eller i enkelte tilfeller eliminere et konvensjonelt aktivt varmeanlegg (eksempelvis radiatorer).

Men i de fleste tilfeller er det ikke så enkelt. Ved å bruke naturlig ventilasjon vil varmetapet normalt øke, og man må ha et større (aktivt) varmeanlegg. Ofte vil en forenkling av klimatiseringssystemet bli en kombinasjon av aktive tiltak og passive tiltak som bør optimaliseres best mulig. Noen mulige konsepter for å forenkle klimatiseringssystemene er:   

1. Oppvarming og kjøling via tilluft
Balansert ventilasjon som dekker både oppvarming og kjøling i tillegg til lufttilførsel. Miljøhuset GK i Oslo er et eksempel på dette. Intelligente tallerkenventiler tilfører både luft, luftbåren kjøling og oppvarming. Det nye er at man har fjernet alle radiatorer. Det er imidlertid mulighet for individuell temperaturregulering via små elektriske elementer lokalt.

2. Balansert lavtrykksventilasjon
Balansert lavtrykktapsventilasjon som dekker både lufttilførsel og all kjøling, supplert med forenklet varmeanlegg. Powerhouse Kjørbo i Sandvika er et eksempel på dette. Luft tilføres som fortrengningsventilasjon sentralt i hver etasje, og har kun ca ¼ del av kanalene til et vanlig kontorbygg. Oppvarming skjer med sentralt plasserte radiatorer langs kjernen av hver kontoretasje.

3. Hybridventilasjon
Hybridventilerte bygg som baserer seg på nedskalert og forenklet balansert ventilasjon som suppleres med automatisk styrte vinduer. Mesterfjell skole i Larvik og Powerhouse Brattørkaia i Trondheim er eksempler på dette konseptet. Ved å bruke naturlig ventilasjon i sommerhalvåret kan balansert ventilasjon dimensjoneres betydelig ned.  

4. Balansert lavtrykktapsventilasjon med nattoppvarming
Balansert lavtrykktapsventilasjon som dekker både lufttilførsel og kjøling, og hvor ventilasjonsanlegget også brukes som nattoppvarming om vinteren. Dette konseptet er planlagt brukt på Powerhouse Montessori som er en skole under prosjektering i Drøbak. Dette er et konsept som kombinerer fordelene med konsept 1. og 2. Det kan suppleres med manuelt styrte vinduer som tar topplast for kjøling og ventilasjon om sommeren.  

5. Naturlig ventilasjon med automatiserte vindusluker
Ren naturlig ventilasjon gjennom automatiserte vindusluker, hvor oppvarming og kjøling dekkes med lavtemperatur oppvarming og høytemperatur kjøling. Det igjen gir et system med veldig høye årsvarme- og årskjølefaktorer (SCOP). Eksempel på dett er prosjektet Hexagon-Gullhaug torg 2 som Avantor planlegger i Nydalen.

Artikkelen fortsetter under illustrasjonen:


Illustrasjon naturlig klimatisering.jpg

Kontordelen i etasje to til fem i Gullhaug torg 2 er planlagt med kun naturlig ventilasjon via automatiserte vindusluker. Illustrasjon: Snøhetta/MIR

6 Naturlig ventilasjon og passiv kjøling
Full naturlig ventilasjon og kun passiv kjøling, der all oppvarming dekkes med tilskudd fra internlaster og solvarme. Mye termisk masse er en forutsetning for konseptet. Baumschlager- Eberle 2226 er eksempel på et slikt fullt naturlig klimatisert bygg.

Konsept 1 lener seg mest på mekanisk klimatisering og aktive løsninger og konsept 6 lener seg mest på ren naturlig klimatisering. Hvilket konsept man velger, og hvor langt man ønsker å gå, avhenger av byggherrens ønsker, klimatiske forhold på stedet, støy og forurensning, brukernes preferanser, økonomi, og forventet endret bruk. Det er selvsagt mulig å kombinere de ulike løsningene og konseptene beskrevet over.   
 
Fra hardware til software
En sannsynlig utvikling fremover er at vi vil se mindre «hardware», det vil si færre spjeld, ventiler, kanaler, rør, radiatorer, kjølebaffler og kjølemaskiner i byggene. Men kravet til godt inneklima, samtidig som energibruken skal være lav, fordrer likevel en nøyaktig styring av ventilasjon, kjøling og oppvarming (passivt eller aktivt), tilpasset tilfeldige variasjoner inne og ute (temperatur, CO₂, fuktighet, vind, vindretning, sol og lignende). På samme tid må man ha størst mulig grad av brukerpåvirking, for eksempel at man lokalt kan åpne vinduer og/eller øke/senke temperaturen. Samlet gir dette kompliserte fysiske prosesser som trenger avanserte simuleringer i designfasen, og utvendige og innvendige sensorer som sender kontinuerlig informasjon til lokale og/eller sentrale PCer som styrer systemene. 

Framover vil vi også se at simuleringer utført i designfasen vil bli brukt i programmering av styringssystemene til bygget. Det vil sette nye krav til nøyaktig og realistisk simulering av byggene og trolig også sanntids-simulering som brukes direkte til styring av de klimatekniske løsningene (aktive og passive). Særlig vil dette gjelde systemer med stor treghet (termisk masse), som er vanlig i naturlig klimatiserte bygg.
Oppsummert kan vi si at smart forenkling krever høy kompetanse.
 
Gullhaug torg
Gullhaug torg 2 (se illustrasjonene) er planlagt i Nydalen i regi av Avantor. Skanska ledet skisseprosjektet, som ble gjennomført høsten 2015. Snøhetta er arkitekt. Gullhaug torg er et pilotbygg i prosjektet Naturlig klimatisering og FutureBuilt. Bygget er et kombinasjonsbygg på 16 etasjer, der første etasje er næring, 2.–5. etasje er kontorer og 6.–16. etasje er boliger.

Kontoretasjene er planlagt med kun naturlig ventilasjon. Varme og kjøling er tenkt utført med lavtemperaturoppvarming og høytemperaturkjøling ved å ha innstøpte rør i vegger med leirpuss (lavkarbon-løsning). Dette gir mulighet for et geo-basert varmepumpesystem med høy ytelse, og kjøling basert på frikjøling. Ekstremt lavt behov for kjøpt energi til oppvarming og kjøling, samt ingen energibruk til vifter, gjør at energibruk til å klimatisere bygget kan balanseres av moderat solcelleareal på taket av byggene, derav Triple Zero – null kWh i kjøpt energi til ventilasjon, oppvarming og kjøling. Totalt sett skal bygget tilfredsstille FutureBuilts nær-nullenergi definisjon. Det er også jobbet mye med et alternativt og nytt konsept for akustikk, termisk masse (varmelagring) og stor takhøyde for utnyttelse av naturlig stratifisering.

Prosjektet presenteres på et gratis halvdagsseminar om passiv klimatisering av bygg: Less is more? på Litteraturhuset 30 mars.
           
FAKTA: NatKlim
Naturlig klimatisering av fremtidens energieffektive kontorbygg er et forskningsprosjekt ledet av Skanska, finansiert av Norges forskningsråd. Andre partnere er Snøhetta, SINTEF Byggforsk, FutureBuilt, Avantor, Lindab, AJL, Rockfon, Acusto, Unicon, Brekke&Strand, Fokus Rådgivning, OPAK, Erichsen & Horgen og WindowMaster. Målet er å utvikle kunnskap, konsepter, teknologier og strategier for naturlig klimatisering av bygninger som vil føre til betydelig redusert energibruk, lavere kostnader, høy arkitektonisk kvalitet og godt innemiljø. Målet er å implementere løsninger, systemer og konsepter i pilotbygg.
 
Referanser
 
[1]           Fang, L., G. Clausen, and P.O. Fanger. 1998a. Impact of temperature and humidity on the perception of indoor air quality. Indoor Air 8(2):80–90.
 
[2]           Fang, L., G. Clausen, and P.O. Fanger. 1998b. Impact of temperature and humidity on perception of indoorair quality during immediate and longer whole-body exposures. Indoor Air 8:276–84.
 
[3]           Fang, L., G. Clausen, and P.O. Fanger. 1999. Impact of temperature and humidity on chemical and sensory emissions from Building Materials. Indoor Air 9:193–201.
 
[4]           Toftum, J., Jørgensen, A.S. and Fanger, P.O.(1998) ‘‘Effect of humidity and temperature of inspired air on perceived comfort’’,Energy and Buildings, 28, 15–23.
 
[5]           Wyon D, Fang L, Lagercrantz L, Fanger PO, Experimental Determination of the Limiting Criteria for Human Exposure to Low Winter Humidity Indoors. Published in HVAC&R Research, Vol. 12, ASHRAE 2006.
 
[6]           Fang, L., D.P. Wyon, and P.O. Fanger. 2003. Low humidity effects on sick building syndrome symptoms. Proceedings of Healthy Buildings 2003, Singapore 3:1–6.
 
[7]           Peder Wolkoff, Søren K. Kjærgaard; Review article The dichotomy of relative humidity on indoor air quality, Environment International 33 (2007) 850–857
 
[8]           Lagercrantz, L., D.P. Wyon, H.W. Meyer, J.U. Prause, L. Fang, G. Clausen, and J. Sundell. 2003. Objective and subjective responses to low relative humidity in an office intervention study. Proceedings of Healthy Buildings 2003, Singapore 3:163–68.
 
[9]           Wyon, D.P., L. Fang, and P.O. Fanger. 2003. Low winter humidity indoors has a negative effect on the performance of office work. Proceedings of the 4th International Conference on Cold Climate HVAC.