Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen 19/2007 – Varmeakkumulering i beton – Vurdering af betons termiske masse i relation til bygningsreglementet og energiberegninger

Varmeakkumulering i beton

Sammenfatning

Introduktion

I Bygningsreglementet, der trådte i kraft i 2006, er der krav om, at der i nybyggeri sker en beregning af energibehov, både til opvarmning og køling.

Der er mulighed for at udnytte den termiske masse, der er i tunge betonkonstruktioner, til at udjævne variationen i rumtemperaturer og derved skabe et mere ensartet indeklima samt at reducere behovet for opvarmning og køling.

Formål

På denne baggrund er dette projekt udført, hvor det er målet at:

- udføre beregninger, der gør det muligt at kvantificere effekten af udnyttelse af betons termiske masse til varmeakkumulering i bygningsoverflader.

- analysere effekten af anvendelse af beton i relation til energibestemmelserne i bygningsreglementet. De forskellige materialevalgs energi- og komfortmæssige forhold sammenlignes. Der benyttes de beregningsprincipper, der svarer til det nye bygningsreglement ved hjælp af software udviklet af SBI.

- vise eksempler på, hvorledes betons materialedata kan benyttes i forbindelse med det nye bygningsreglement.

- give en vejledning i, hvorledes det er muligt at beregne varmeakkumulering i en konstruktion.

- deltage med beregningseksempler udført efter den danske beregningsmetode til en Round Robin undersøgelse udført af den europæiske brancheorganisation CEMBUREAU.

Varmekapacitet

For at opfylde bygningsreglementet for nye bygninger skal der overholdes et krav til energibehov. Ved at foretage en beregning med programmet Be06, hvor der tages hensyn til en række energimæssige forhold, kan energibehovet bestemmes. I denne beregning indgår bygningens varmekapacitet. I dette projekt er der set på tre forskellige metoder til at bestemme bygningers varmekapacitet beregnet pr. m² opvarmet etageareal:

Tabelværdier tilknyttet det danske beregningsprogram
Forenklet CEN metode
Aktiv varmekapacitet.

For at bestemme den aktive varmekapacitet er der i dette projekt foretaget en analyse, hvor primært betonoverflader udsættes for en rumtemperatur, der varierer i form af døgnsvingninger. Den varmemængde, der transporteres ind i en overflade i løbet af ½ døgn med positiv varmestrøm og derved lagres i materialet, kaldes varmeakkumuleringsevnen.

Som hovedregel stiger varmeakkumuleringsevnen med stigende densitet. Beton har den største varmeakkumuleringsevne blandt de udvalgte materialer.

Resultaterne viser, at varmeakkumuleringen generelt stiger med stigende tykkelse af materialerne. Stigningen er næsten proportional med tykkelsen de første cm. Derefter klinger effekten af stigende tykkelse af til at være en relativt begrænset stigning ved en forøgelse af tykkelsen fra 5 til 10 cm.

Kun en del af materialets varmekapacitet udnyttes til varmeakkumulering. Den del, der udnyttes, kaldes den aktive varmekapacitet. Grunden til, at kun en del af varmekapaciteten udnyttes, skyldes dels modstanden mod varmestrøm i selve materialet, dels modstand mod varmestrøm ved materialets overflade.

Udnyttelsen af varmekapaciteten kan overordnet betegnes som at være mere afhængig af tykkelsen, som materialet anvendes i, end af selve materialets egenskaber. Det er størrelsen af varmeakkumuleringen pr. overfladeareal, som vil være den væsentligste parameter at tage i betragtning, når materialets egenskaber skal vurderes i henseende til opnået varmeakkumulering. Når udnyttelsen af varmekapaciteten således er relativt ensartet for alle materialerne ved en given tykkelse, betyder det, at forskelle i varmekapaciteten også bliver afspejlet tilsvarende i den udnyttede varmeakkumulering for de forskellige materialer

Der er udarbejdet et sæt kurveskarer, der kan benyttes til at karakterisere varmeakkumuleringen for andre materialer end de udvalgte. Dette kan gøres ved at bestemme et materiales såkaldte varmeindtrængningstal som indgangsparameter.

I rapporten er foretaget en sammenligning af de tre metoder til at bestemme den varmekapacitet, pr. opvarmet etageareal, der benyttes som en del af inddata til det danske beregningsprogram.

Det er illustreret, at de til den danske beregningsmetode anbefalede tabelværdier for varmekapacitet nogenlunde svarer til, hvad der kan opnås ved den forenklede CEN metode for store materialetykkelser og for tunge materialer. For lette materialer vil den forenklede CEN metode give mindre værdier end efter den danske tabel.

Den aktive varmekapacitet giver en væsentlig mindre varmekapacitet end værdier bestemt efter de danske tabelværdier. Forskellen mellem de forskellige konstruktionstyper er dog stort set bibeholdt, hvis der benyttes den aktive varmekapacitet i stedet for danske tabelværdier ved beregning af varmekapaciteten.

Det er vist, hvorledes det er muligt at beregne størrelsen af den varmekapacitet pr. opvarmet etageareal, der benyttes som inddata til det danske beregningsprogram, ved at sammenregne værdierne for varmekapacitet pr. overfladeareal.

Undersøgelsen viser at for at opnå en stor varmeakkumulering, er det ønskeligt at have de lavest mulige overgangsisolanser. Det vil sige, at man bør begrænse omfanget af isolerende belægninger og genstande, der støder op til akkumulerende overflader.

Det er især ønskeligt, at solpåvirkede overflader er tilgængelige for solstrålingen, da solindfaldet derved bliver direkte absorberet på overfladerne, og derfor er der ikke er nogen overgangsisolans ved overførsel af varme til det varmeakkumulerende materiale.

Analyse af energibehov

Der er foretaget beregninger af energibehovet i forskellige bygningsmodeller efter den metode, der benyttes til bestemmelse af, om kravet til energibehov er opfyldt i henhold til Bygningsreglementet. Der er regnet på modeller af en kontorbygning og et enfamiliehus.

Resultaterne viser, at der opnås en stor reduktion af energibehovet ved at anvende bygninger med stor termisk masse. Dette gælder både for kontorbygningen og enfamiliehuset. Forskellen i energibehov mellem modellen med den mindste og den største varmekapacitet er mellem 4 % og 13 %.

Forskellen er større i kontormodellerne end i enfamiliehusmodellerne især på grund af forskelle i solindfald. Forskellen i energibehovet er generelt større mellem den meget lette og den middel lette model end mellem den middel tunge og meget tunge model. Dette viser, at der stadig kan opnås en reduktion af energibehovet ved at øge varmekapaciteten, selv hvor der i forvejen er en relativ stor varmekapacitet.

Overskudsvarmen, der skal fjernes, bliver reduceret ved en øget termisk masse af konstruktionerne. En reduceret overskudsvarme er et udtryk for færre problemer med overtemperaturer.