Kjøling i energiløsninger i framtidens bygninger

Mindre oppvarmingsbehov:

0

Måter vi bygger og bruker bygninger på, er i stadig endring. Økt fokus på klimautfordringer har ført til at vi i dag bygger bygninger med stadig bedre energistandarder. Eksempel på dette er nye krav i TEK15 som trådte i kraft fra 1. jan 2016 (med ett års prøvetid) eller passivhus standard NS3701 (for forretningsbygg og NS3700 for boliger). Disse medfører at nye bygninger får vesentlig mindre oppvarmingsbehov. Da er det varmtvannsforbruk som egentlig vil dominerer varmebehov i framtidens bygninger.  Samtidig går det mye utvikling i en retning hvor det er et ønske om å øke arealeffektivitet i forretningsbygg som gir stadig økning i areal vektet internlaster. Det er også viktig at arbeidstakere som sitter i disse lokalene har god tilgang til dagslys. Dette fører til at man ofte velger store vindusflater som igjen skaper mye soltilskudd. Samlet sett ser Sweco at utviklingen går mot at framtidens bygninger vil kreve mer fokus rundt kjølebehov enn oppvarmingsbehov.

Forenklet oppvarming og økt fokus på varmtvannsforbruk

Utfordringer for framtidens bygninger kan beskrives i tre enkelte punkter.

Første punkt er at oppvarmingsbehov til bygninger går vesentlig ned. Da trenger man et forenklet 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.  

Andre punkt er relatert til varmtvannsbehov som benyttes jevnt over året og behovet for høykvalitetsvarme. Samfunnet har endret seg over tid og i dag har vi til dels vesentlig forskjellig forbruk og bruksmønster som for 50 år tilbake. Med min doktorgrad innen brukeratferd lar jeg merke til at det mangler fakta rundt varmtvannsforbruk. Mye av dimensjonering av varmtvannsproduksjon hittil har være basert på verdiene fra <> eller helgarderte erfaringstall. Jeg vil peke på at framtidens bygninger varmebehov er dominert av varmtvann og en slik praksis betyr sløsing av ressurser og unødvendig belasting på byggherre. Jeg er også kritisk til teknisk forskrift fordi det ikke stilles krav til kvalitet på dette området, men det finnes allerede flere gode produkter i markedet som kan ha stor besparelse i forbruksvannet. Jeg vil også peke på at dette er et av område som trenger mer fokus i framtid.

Tredje men stadig viktig punkt er da kjøle behov. Økt spesifikk internlaster og soltilskudd kommer til å ta mye fokus framover. Gamle bygg hadde en balanse mellom stort oppvarmingsbehov og en del kjølebehov slik at varmepumpen kunne dekke oppvarmingsbehov om vinter og kjøres som kjølemaskin om sommeren. Å finne den balansen i nye bygg og forsvare kostnad/utbytte kommer til å være utfordrende. Klar oppfordring til alle er å tenke nytt, enn å vende automatisk mot gamle løsninger.  Jeg mener at riktig oppsett for å finne løsning, 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 bygningstermisks masse. Det har skjedd mye utvikling i alle disse punkter.

For å plukke opp noen eksempler for vindussystemer kan det nevnes blant annet 180° vendbart vindu eller vinduer med prisme som gir høyere g-verdi om vinteren og lavere g-verdi 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 komfortabelt nivå, vinduer med suspended particle device (SPD) kan styres fra 0 til 100 prosent slik at man kunne justere soltilskudd (g-verdi) og lystransmisjon (tvis) gjennom vinduer. Disse løsninger gir mulighet for å få en optimal styring av g-verdi og lystransmisjon som sørger for at man får et godt inneklima samt tilgang til dagslys. Andre måter er å bruke termisk masse av bygninger i kombinasjon med valgte vinduer.

En annen måte er å bruke bygningstermisk masse slik at innetemperatur under brukstidn ikke stiger over komfortnivå og termiskmasse kan kjøles ned om natten. Her kommer det også inn muligheten å kunne bruke nattkjøling, nemlig frikjøling. Men for å anvende dette må man ha tilgang til tilstrekkelig termiskmasse som kan absorbere varmetilskudd under brukstiden uten å skape mye overhetning i oppholdsarealene. Til vanlige 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 ferdiglaget veggplater, himlingsplater eller veggklosser(blokk) som lett kan monteres. En dobbel 15 mm PCM plate montert på vegg kan levere ekvivalent effekt av en 140 mm betongvegg. En skritt videre i bruk av PCM i bygningskropp er å ta i bruk PCM i kombinasjon med ventilasjon slik at tilluft om natten kjøler PCM-elementene. Utover dagen når utetemperaturen stiger, så beholder PCM-elementene tillufttemperatur på samme nivå, og samler opp mot aktiv kjøling.

Imidlertid har det vært utfordringer for å dokumentere påvirkning av disse mot myndighetenes krav. Sweco har spisskompetanse på avanserte simuleringsverktøy, blant annet IDA ICE og Design Builder og kan si at disse kan anvendes til å vurdere kompliserte problemstillinger relativ enkelt. Sweco har vurdert forskjellig vindusløsninger og PCM i forskjellig sammenheng og ser at løsningene gir gode muligheter. Samtidig mener jeg at det er et område hvor arkitekt har mest innflytelse og konkluderer med at det er et område hvor det er behov for bedre samarbeid mellom arkitekt og rådgivere.

Varmedreven kjøling – i lag med fjernvarme

På aktiv kjøling skjer det mye utvikling. Her er det verdt å nevnte tre potensiale muligheter utover vanlige løsninger som f.eks. kjølemaskin (også nevnt som varmepumpe) eller frikjøling fra sjøvann eller energibrønner.

Første kan nevnes, er bruk av adiabatisk kjøling. Metoden er basert på konseptet at temperatur til luften faller når luft absorberer vann. Ved å benytte konseptet sprayer man vann i avtrekksluften slik at avtrekkluften blir kaldere enn friskluften. Den kaldere avtrekksluften benyttes til å kjøle ned friskluft i gjenvinneren i luftaggregatet. Sånn sett tilsetter man ikke vann i tilluft, men kjøler tilluft ved bruk av gjenvinner. Metoden kalles indirekte adiabatisk kjøling og har blitt benyttet ved Høgskolen i Bergen og viser gode resultat. Metoden har den ulempen at kjøleeffekten faller ved høy fuktighet og dermed er ikke alltid en løsning som spisslast.

Den andre metoden er en kombinasjon av ventilasjon med adsorpsjons-kjøling. Metoden benytter varmen 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 tilluft-siden adsorberer hjulet fukt fra friskluft mens på avtrekket tilsetter man vann, slik at avtrekksluften kjøles ned. Når tilluft gir fra seg fukt øker temperaturen til tilluft. Tilluft kjøles ned igjen først ved å benytte gjenvinner mellom kaldt avtrekk og tørr tilluft og senere ved å tilsette vann. Tilluft på den måten blir flere gradere kaldere enn frisk luft. Avtrekket 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 gjør hjulet klar for neste syklus.

Tredje interessante metode er absorpsjonskjølemaskin. Metoden bruker varme som kilde og leverer kjøling på lik linje med en kjølemaskin, slik bransjen er vant til. Metoden krever en varmekilde som gir høy temperatur og har ytelse 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 å benytte seg som en god kombinasjon med bygg hvor man også har et stort varmtvannsbehov. Metoden har noe ulempe ved at det trenger kjøletårn (eller sjøvann) i tillegg og tilknytting til fjernvarme.

Økonomisk viser beregninger at begge metoder er sterkt avhengig av fjernvarmetariffer. Samtidig gir metodene veien videre, hvor kjølesystem kan benytte seg av overskuddsvarmen fra avfallsbrenning og mindre bruk av elektrisitet. Dette er et område hvor fjernvarmeleverandør kan tenke seg av nye markeder.

Oppsummering

Oppsummert ser Sweco at framtid bringer nye muligheter for byggebransjen. Jeg ser flere framtidsløsninger og ser et klart behov for bedre og bredere samarbeid på tvers av forskjellige fag i byggingsfasen. Samtidig legger jeg mye vekt på at mange av disse utfordringene må møtes i tidligfase ved prosjektering. Jeg oppfordrer alle til å tenke bredt og benytte seg av nye energiløsninger.

 

›ildet under: Artikkelforfatter Usman IjazDar hos Sweco