1. No category

Sammenligning av klimagass-utslipp
med naturlig- og balansert ventilasjon.
Vegard Heide og Matthias Haase
Sustainable Architecture, NTNU
ZEB Reseach Centre
Problemstilling
Kan et bolighus med naturlig ventilasjon ha like lave
klimagassutslipp som et med balansert ventilasjon med
varmegjenvinning?
Er den reelle gevinsten fra en luft-luft varmegjenvinner så stor som
oppgitte virkningsgrader gir inntrykk av?
Kan større varmetap fra luftskiftet, med naturlig ventilasjon, bli
oppveid av mindre strømforbruk til vifter, mindre grå utslipp, osv?
Hvordan påvirkes dette av :
-varmekilde
-ulike CO2-faktorer
-ulike klima/lokalitet
Metode
Kalkulert klimagassutslipp fra en bygningsmodell med henholdsvis
balansert- og naturlig ventilasjon, i ulike varianter.
-Dynamiske simuleringsprogrammet SIMIEN 5.010.
-utslipp forbundet med produksjon av ventilasjonsanlegget er inkludert
- ikke grå utslipp fra resten av huset, siden dette er likt i alle case.
Avgrensing
-enebolig passivhus-nivå.
-hovedfokus på energi- og utslipps-regnskap
-problemstillinger som kald-trekk, temperaturfordeling, regulering av
luftmengder, luftfordeling blir ikke belyst.
Konstante inndata
-BRA160 m2, 2 etasjer
-klimaskjerm etter passivhus-kriterier i NS 3700
-interntilskudd etter NS 3700
-roterende varmegjenvinner, nominell virkningsgrad 80%
-Oslo-klima
-CO2-faktor for elkraft: 355 g CO2eq / kWh
-CO2-faktor for tre-pellets: 50 g CO2eq / kWh
-virkningsgrad pelletsovn: 0,77
-luftskifte: 1,2 m3/m2*h
-luftskiftet utenom oppholdstida er på 0,36 m3/h.
Virkningsgrad gjenvinner > energitap i fukt tilført innelufta
Inneluft tilføres energi ved temperaturstigning, og økt fuktinnhold (latent varme).
Den latente varmen blir vanligvis ikke gjenvunnet med en roterende
varmeveksler, og ved beregning av virkningsgrad blir denne oversett.
For å få en reell virkningsgrad for gjenvinning av tilført energi (entalpiøkning) i
innelufta må temperatur-virkningsgraden nedskrives med ca 10%.
Andel entalpiøkning fra fuktproduksjon
30,0
25,0
20,0
%
15,0
10,0
Total fuktproduksjon
Fuktprod utenom
personer
5,0
-10
-5
0
5
0,0
10
Ute-temperatur
Temperatur avkastluft 21° C. Total fuktproduksjon: 1,5
g/m3. Beregna grafisk med molliere diagram
Aggregatets reelle temperatur-virkningsgrad.
Målinger på gjenvinnings-aggregat, finner klare avvik fra nominelle verdier,
typisk ca 10% lavere.
[Roulet 2001, Sjøvold 2008, Petersen et al 2009, Lassen et al 2009].
Dette kan ha flere grunner:
-ubalanserte luftmengder
-resirkulasjon
-varmetap fra aggregatet
-kanalbøy før aggregat
-smuss varmeveksler
-urent filter
For bruk i simuleringene:
-nedskriver temperatur-virkningsgraden med 10% .
Virkningsgrad varmegjenvinner > sum (input verdi SIMIEN)
Nominell temperatur-virkningsgrad:
-korrigert for ubalanse, lekkasjer, smuss o.l: →
-korrigert for latent varme ikke gjenvunnet: →
-korrigert for bruk av kjøkkenvifte:
→
-korrigert for bruk av sentralstøvsuger:
→
Virkningsgraden som legges inn i SIMIEN er altså
80%
72%
65%
63,5%
63%
63%
Oppvarmingsbehov og klimagassutslipp,
nominell og reell virkningsgrad
50
45
Vifter
VarmeBatteri
Romoppvarmin
g
CO2 drift
CO2 total
kg CO2eq / m2*år
40
35
30
25
20
15
10
5
Effekten av nedskriving av virkningsgrad.
0
B0
B1
Forvarming av inntaksluft i ventilerte vindu (Case N4, N6)
-tre lags glass med argon i innerste mellomrom
-lavere temperatur i ytterglass øker soltilskuddet
-3 l/s, gir U-verdi 0,4 W/m2K
Case N4
Case N6
Effektiv U-verdi (Ueff) og U-verdi for normale vinduer, som funksjon av
luftstrøm gjennom et 1m bredt vindu. (fra Markussen Raffnsøe 2007)
Case overview
Natural ventilation
Balanced ventilation
El-heating
50% biofuel
El-heating
50% biofuel
1. 24 hours operation, 21° C
N1e
N1b
B1e
B1b
2. 20° C (adaptive comfort principle)
N2e
N2b
3. 17 hours operation (21°balanced, 20°natural)
N3e
N3b
B3e
B3b
4. Preheating in ventilated windows, 20°, 17 h op.
N4e
N4b
5. Preheating in culvert, 20°, 17 h operation
N5e
N5b
6. Open bedroom window, 17h operation
N6e *
N6b *
B6e **
B6b **
-B for balansert, N for naturlig.
-alle varianter simulert både med elektrisk oppvarming (e), og med
halvparten av rom-oppvarminga fra biobrensel (b).
Case N5
+
Case B1
+
Case N1
Case N2
+
Case B3
Case N3
Case N4
+
Case B6
Case N6
Resultater
+
Case B1
+
Case N1
Case N2
Case N3
Utslipp med (20°C), og uten (21°C), adaptiv komfort-prinsippet
+
Case B3
El-oppvarming: balansert lavere utslipp enn naturlig.
50% biobrensel:
-N3 (red. luftmengde dagtid) som B1
-N4 (også ventilerte vindu) litt mindre enn B1
Case N4
Case N6
Resultater
Totale klimagassutslipp. Netto energi til varme og ventilasjon
+
70
Case B1
+
Case N1
60
kWh og CO2eq / m2*år
50
Vifter
Varmebatteri
Romoppvarming
CO2 El-oppvarm
CO2 50% bio
40
30
20
Case N2
Case N3
10
0
+
Case
B0
B1
N1
N2
B3
N3
N4
N5
B6
Case B3
N6
CO2-utslipp både for el-oppvarming og 50% av rom-oppvarminga fra biobrensel.
Klimagassutslipp for husets totale forbruk (inkludert belysning, varmtvann osv.)
Case N4
-N1b har lavere utslipp enn B1e
-N4e = B1e.
Case N5
-N6e har litt høyere utslipp enn B6e, men N6b har lavere enn B6b.
+
Case B6
Case N6
Resultater
Totale klimagassutslipp. Netto energi til varme og ventilasjon
+
70
Case B1
+
Case N1
60
kWh og CO2eq / m2*år
50
Vifter
Varmebatteri
Romoppvarming
CO2 El-oppvarm
CO2 50% bio
40
30
20
Case N2
Case N3
10
0
+
Case
B0
B1
N1
N2
B3
N3
N4
N5
B6
Case B3
N6
CO2-utslipp både for el-oppvarming og 50% av rom-oppvarminga fra biobrensel.
Klimagassutslipp for husets totale forbruk (inkludert belysning, varmtvann osv.)
Case N4
-N1b har lavere utslipp enn B1e
-N4e = B1e.
Case N5
-N6e har litt høyere utslipp enn B6e, men N6b har lavere enn B6b.
+
Case B6
Case N6
Resultater
Totale klimagassutslipp. Netto energi til varme og ventilasjon
+
70
Case B1
+
Case N1
60
kWh og CO2eq / m2*år
50
Vifter
Varmebatteri
Romoppvarming
CO2 El-oppvarm
CO2 50% bio
40
30
20
Case N2
Case N3
10
0
+
Case
B0
B1
N1
N2
B3
N3
N4
N5
B6
Case B3
N6
CO2-utslipp både for el-oppvarming og 50% av rom-oppvarminga fra biobrensel.
Klimagassutslipp for husets totale forbruk (inkludert belysning, varmtvann osv.)
Case N4
-N1b har lavere utslipp enn B1e
-N4e = B1e.
Case N5
-N6e har litt høyere utslipp enn B6e, men N6b har lavere enn B6b.
+
Case B6
Case N6
Resultater: ulike steder / klima
+
Årlig klimagass-utslipp, ulike lokaliteter
Case B1
60
50
Case B1 El-varme
Case N4 El-varme
Case B1B 50%bio
Case N4B 50%bio
Kg CO2eq / m2*år
40
30
20
10
0
Stavanger
Trondheim
Oslo
Røros
Karasjok
Med el-oppvarming øker den relative fordelen med
varmegjenvinning med kaldere vinter.
Med halve rom-oppvarminga fra biobrensel kan naturlig
ventilasjon gi mindre utslipp
Case N4
Resultater: ulike CO2-faktorer
+
Årlige klimagass-utslipp, ulike CO2-faktorer for el.
Case B1
60
50
kg CO2eq / m2*år
Case N4
Case B1 El-varme
Case N4 El-varme
Case B1B 50%bio
Case N4B 50%bio
40
30
20
10
0
UCTE 595
Simulering
355
NORDEL
210
ZEB 132
NO 17
CO2-faktorer har relativt liten innvirkning på forholdet mellom case
B1 og N4
Resultater: utslippsbalanse ventilasjonsanlegg
+
Klimagassutslipp balansert ventilasjon. Case B1e / B1b
Case B1
2
0
kg CO2eq /m2*år
El-oppvarming
50% biobrensel
-2
Varmeutbytte
Komponentutslipp
Utslipp viftedrift
-4
-6
-8
Forholdet mellom klimagass-utslipp fra komponenter og viftedrift, og
varmeutbyttet fra gjenvinner, i et balansert ventilasjons-anlegg.
Med 50% biobrensel-oppvarming:
-bare litt netto sparing, regna i klimagassutslipp.
Usikkerhet
Vurdering av reell virkninggrad varmgjenvinning er basert på et begrensa antall
studier, noen av dem en del år gamle, få er fra boliger.
Men selv med 85% nominell virkningsgrad (eller 80% nominell, bare nedskrevet med 5%)
har case B1b og N3b omtrent like utslipp.
Beregningene er gjort med jevnt, midlere luftskifte i naturlig ventilasjon. I
realiteten kan det bli perioder med overventilering pga vind, og dermed litt
høyere utslipp.
Har forutsatt at det ikke blir trekkproblem; kan det tenkes at temperatur-behovet
stiger noe pga trekk?
CO2-faktor på 50 g for biobrensel?
Konklusjon
I en reell vurdering av hvor stor andel ventilasjons-varme som gjenvinnes, bør
den latente varmen som tilføres innelufta inkluderes.
Totale klimagass-utslipp fra en bolig med naturlig ventilasjon kan være like lave
som med balansert ventilasjon med varmegjenvinning.
Et typisk norsk passivhus med el-oppvarming og balansert ventilasjon ser ikke ut
til å ha lavere klimagass-utslipp enn et med naturlig ventilasjon og 50% av romoppvarmingsbehovet dekt av biobrensel.
Naturlig ventilasjon trenger ikke å være noen dårlig løsning vurdert i forhold til
klimagass-utslipp, men er mer avhengig av varmekilde med lav utslippsfaktor
enn balansert ventilasjon.
Norske Passivhus-standard kan virke litt «smal» til å være et optimalt verktøy i
arbeidet for å bremse den globale oppvarminga. Det er fare for en suboptimering, med bygninger med lavt energiforbruk til oppvarming, men ikke
nødvendigvis lave totale klimagass-utslipp.
Takk for oppmerksomheten
Lavere temperatur akseptert i naturlig ventilerte hus
Adaptiv komfort prinsippet: folk aksepterer større svingninger i temperatur i
naturlig ventilerte bygninger. Brukerne blir mer aktive i å ta i bruk virkemidler
for å tilpasse seg temperaturen:
-påkledning, og praktiske tiltak
-vaner, og kulturelle normer
-også psykologisk og fysiologisk tilpasning
-følelse av ansvar og kontroll gjør folk mindre kritiske og forlangende
En grad lavere innetemp. i noen case med naturlig ventilasjon (ikke N1)
Sammenligning av ulike temperaturgrenser for naturlig ventilerte
bygninger i forhold til ute-temperatur.
Fra Hellwig et al (2006)
Resultater: ulik virkningsgrad gjenvinner
+
Årlige klimagass-utslipp, ulik virkningsgrad gjenvinner
Case B1
44
42
40
kg CO2eq / m2*år
38
36
34
Case
Case
Case
Case
Case
Case
Case
Case
Case
B1 El-varme
B1B 50%bio
N1B 50%bio
N2 El-varme
N2B 50%bio
N3 El-varme
N3B 50%bio
N4 El-varme
N4B 50%bio
32
+
Case N1
Case N2
30
65
70
75
80
85
Aggregatets nominelle temperatur-virkningsgrad %
90
Stipla linjer 50% biobrensel.
Case N3
90% virkningsgrad,50% biobrensel:
B1 større enn N4, mindre enn N1,2,3.
El-oppvarming: B1 må ha virkningsgrad på over 73% for å ha
mindre utslipp enn N4.
Case N4
Virkningsgrad varmegjenvinning > tid / nyttig andel
Hvordan forholdet intern-tilskudd/varmetap (m), og momentan virkningsgrad virker inn
på maks ute-temperatur ved full utnyttelse av gjenvunnet varme. (Fra Juodis 2006)
Dess bedre isolert bygning, og dess høyere interne varmetilskudd,
dess mindre andel av gjenvunnet varme kommer til nytte
Dess høyere virkningsgrad gjenvinner, dess mindre andel gjenvunnet
varme kommer til nytte.
Forvarming i kulvert (Case N5)
Case N5
Temperatur og varmeutveksling i kulvert beregna
med dataprogrammet GAEA Oslo-klima.
-Vi kan regne med opptil 5 Pa oppdriftskrefter i en vanlig 2-etasjes enebolig
(280mm diameter, 23m langt).
-Med luftmengde på 192 m3/h blir trykkfallet gjennom kulverten på 1,58 Pa.
-ikke all opptatt varme som er nyttig
-lavere lufthastigheter i perioder gir lavere gevinst
Derfor bli kalkulert gevinst nedjustert til 1200 kWh / år.
Virkningsgrad varmegjenvinning
Fra Schild (2003)
Kubisk matrise som illustrerer mulige typer virkningsgrad, en kombinasjon av:
(1)energikomponent
(2)systemgrense
(3) tidspunkt.
Det avgjørende for den reelle nytten er aggregatets årsvarmevirkningsgrad, som
bør være de tre nærmeste, inkludert den skraverte brikken.
Sove med åpent vindu (Case N6, B6)
+
Case N6
Case B6
Ifølge Schild [2003] sover 26% av befolkninga med åpent vindu hele året.
Som et estimat av denne situasjonen, kjøres redusert luftskifte (0,36
m3/h*m2) i 8 timer, i tillegg til de 7 timene om dagen, altså 15 timer i alt.
Forutsetter:
-isolerte innervegger
-bra tette soveromsdører, og dermed moderat varmetap fra resten av
huset.
-inntaksventil på soverommet stenges om natta
Grå utslipp fra selve ventilasjonsanlegget
Klimagassutslipp ventilasjonsanlegg i bolig. Utenom driftsfase.
kg CO2eq kg CO2eq
Kilde
Database
kg CO2eq
/m2
/m2*år
EMPA 2.2e, Rundsum
(Ecoinvent)
60 år, 130 m2
1377
10,6
0,18
KBOB 2009/1, Rundsum (Ecoinvent)
60 år
1950
13
0,22
Kari Sørnes (egne mengder) Ecoinvent
50 år, 187 m2
1525
8,1
0,16
A. S. Nordby (mengder
Klimagsssregnskap 50 år
1478
9,9
0,2
fra Winther 1998)
Snitt
0,19
Klimagassutslipp kulvert
KBOB 2009/1, Rundsum
KBOB 2009/1, Rundsum
KBOB 2009/1, Rundsum
EMPA 2.2e, Rundsum
/ jordvarme-veksler
For bolig
For kontor, kort
For kontor, lang
For bolig
for enebolig. Utenom driftsfase.
60 år
2,95
60 år
5,1
60 år
12,8
60 år, 130 m2
697
5,3
Snitt
0,05
0,09
0,21
0,09
0,11
Cradle to gate
Cradle to gate
Cradle to site
Cradle to site
Cradle to gate
Cradle to gate
Cradle to gate
Cradle to gate
Det er grå utslipp bare fra ventilasjons-anlegget som er medregna, siden
resten av huset er likt for alle case.
Det er brukt et snitt av rund-summer fra databaser, og andre studier.
Utslipp forbundet med sjølve ventilasjonsystemet er så lave at de betyr svært
lite totalt.
Andre studier
Nyman og Simonson (2005), konkluderte med at balansert ventilation med
varmegjenvinning har mindre klimagassutslipp enn avtrekksventilasjon.
Flere andre studier har sammeligna primærenergibehov eller klimagassutslipp med og
uten ventilasjons-varmegjenvinning, og kommer til at forskjellene er små, hvilket konsept
som kommer best ut varierer (Marsh og Lauring (2003), Gustavsson and Joelsson (2010),
Hernandez and Kenny (2010), Dodoo et al (2011), Krus et al (2011).
Primærenergi-behov for produksjon og drift av tre varianter av en bolig i Karlstad. Passivhus-varianten
har balansert ventilasjon med varmegjenvinning. Energiforsyninga er basert på el-oppvarming fra
kullfyrte kraftverk (RH CST), fjernvarme fra kullfyrte kraftverk (DH CST), og fjernvarme fra biobrensel
(DH BIG/CC). Fra (Gustavsson og Joelsson 2010)
Resultater
Årlige klimagassutslipp
+
45
Case B1
+
Case N1
kg CO2eq / m2*år
40
Naturlig vent El-oppvarm
Naturlig vent. 50% bio
Case B1 el-oppvarm
Case B3 el-oppvarm
Case B1 50% bio
35
Case N2
Case N3
30
25
N1
N2
N3
N4
N5
N6
+
Case B3
Case
-Alle tilfeller med naturlig ventilasjon og 50% biobrensel har lavere
utslipp enn B3e.
-Ser ut som kulvert gir mer forvarming enn ventilerte vindu.
-N5e og N6e har lavere utslipp enn B1e (som representerer et
typisk norsk passivhus).
-N6b har 21,6% lavere utslipp enn B1e
Case N4
Case N5
Case N6