Det här verket har digitaliserats vid Göteborgs universitetsbibliotek och är fritt att använda. Alla tryckta texter är OCR-tolkade till maskinläsbar text. Det betyder att du kan söka och kopiera texten från dokumentet. Vissa äldre dokument med dåligt tryck kan vara svåra att OCR-tolka korrekt vilket medför att den OCR-tolkade texten kan innehålla fel och därför bör man visuellt jämföra med verkets bilder för att avgöra vad som är riktigt. Th is work has been digitized at Gothenburg University Library and is free to use. All printed texts have been OCR-processed and converted to machine readable text. Th is means that you can search and copy text from the document. Some early printed books are hard to OCR-process correctly and the text may contain errors, so one should always visually compare it with the ima- ges to determine what is correct. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 C M Rapport R34:1984 Dynamisk isolering Utvecklingslaget David Södergren Ventilationstekniska beräkningar Axel Fagerstedt iNSTI 'UTEI FOR SYGGDOKUMENTATION Accnr Piesc S*'' O R34:1984 DYNAMISK ISOLERING Del I En sammanställning av utvecklingslaget - framtidsutsikter David Södergren Del II Ventilationstekniska grunder för praktisk tillämpning i byggnader Axel Fagerstedt Denna rapport hänför sig till forskningsanslag 790146-5 från Statens råd för byggnadsforskning till Paul Petersson Konstruktionsbyrå AB, Stockholm I Byggforskningsrådets rapportserie redovisar forskaren sitt anslagsprojekt. Publiceringen innebär inte att rådet tagit ställning till åsikter, slutsatser och resultat. R34: 1 984 ISBN 91-540-4099-X Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm Liber Tryck Stockholm 1984 3INNEHALL Del I 1 SAMMANFATTNING ............................ 7 2 BESKRIVNING AV PRINCIPEN .................... 8 3 ANVÄNDNINGSOMRÅDEN ......................... 9 3.1 Bostäder 3.2 Kontor, hotell, vårdbyggnader, skolor, etc. 3.3 Industri- och lantbruksbyggnader 3.4 Inkapsling kring ugnar och värmekrävande processer 4 KOMMENTARER TILL DE DELRAPPORTER SOM TILLHÖR SAMMANFATTNINGEN ........................... 10 4.1 Teori för värmeisolering som genomströmmas av gas eller vätska (Gunnar Anderlind, Bernt Johansson) 4.2 Mätning av dynamisk isolerings filtrerande förmåga (Anders Jansson ................... 12 4.3 Två förstudier av luftkvalitet i byggnad med dynamisk isolering (Armin Guhl, Hélène Nicander-Bredberg) ......................... 13 4.4 Dynamisk isolering, konstruktiva lösningar (Axel Fagerstedt) .......................... 14 5 KOMMENTARER TILL ÖVRIGA RAPPORTER AV BETYDELSE FÖR SAMMANFATTNINGEN ............ 15 5.1 Provhus med dynamisk isolering (Carl-Axel Broman, Mats Matsson) 5.2 Ett nytt, unikt system för energibesparing i småhus (Torgny Thorén) ................... 16 5.3 Dynamisk isolering och återvinning (Lars Jensen) ...............................17 6 FUNKTIONSANALYS ........................... 17 7 TILLÄMPNINGSANALYS INKLUSIVE EKONOMISKA ASPEKTER..................................... 19 Del II FÖRORD..................................... 23 1 FRÅGESTÄLLNINGAR KRING ANVÄNDNINGEN AV DYNAMISK ISOLERING ......................... 24 1.1 Några användningsområden ................... 25 1.2 Isoleringsförmåga 1.3 övriga energibesparande effekter .......... 27 1.3.1 Kombination med värmepump................ 28 1.4 Inneklimat................................. 2 9 1.4.1 Filtreringsegenskaper 1.4.2 Akustikegenskaper 1.4.3 Luftrörelser och strålningstemperatur 1.5 Kostnadsaspekter ................... 30 42 LUFTVÄXLINGAR I BYGGNAD MED DYNAMISK ISOLERING....................................32 2.1 Syftet med vald luftväxlingsmodell 2.2 Luftväxlingens kontinuitetssamband 2.3 Luftväxlingens tryckberoende flödes- funktioner..................................34 2.3.1 Klimathölje 2.3.2 Dynamisk isolering . ........................ 35 2.3.3 Luftkanaler 2.3.4 Fläktar 2.4 Det sammansatta systemet av tryckberoende flödesfunktioner ......................... 36 2.5 Behandlingen av indata vid beräkning av luftväxlingen ............................. 37 2.5.1 Byggnadens geometri 2.5.2 Formfaktorer................................38 2.5.3 Tryckberoende flödesfunktioner .......... 40 2.5.4 Klimatet................................. 4 2 2.6 Beräkningsresultat ....................... 45 2.7 Diskussion av de beräknade flödesvaria- tionerna....................................37 3 LOKALA FLÖDESVARIATIONER I DYNAMISK ISOLERING................................. 5 8 3.1 Inverkan av friktion och dynamiskt tryck . 60 3.1.1 Rätlinjig fördelning ..................... 62 3.1.2 Radieil fördelning ....................... 65 3.2 Termiska tryckvariationer i fördelnings- spalten......................................71 3.3 Läckage i fördelningsspalten 3.4 Tryckvariationer på rumssidan ............ 72 3.5 Total flödesvariation 3.6 Beräkningar och diskussion av lokala flödesvariationer ......................... 73 4 FUKT VID MOTFLÖDESISOLERING................. 76 4.1 Diffusionsfukt 4.2 Uteluftens fukt............................. 77 4.3 Beräkningsmodell för beräkning av kondens­ mängder under vattentaket................... 80 4.4 Resultat och diskussion av kondensmängds- beräkningar under vattentaket ............ 84 LITTERATUR..................................90 DYNAMISK ISOLERING Del I En sammanställning av utvecklingslaget framtidsutsikter David Södergren 71. SAMMANFATTNING Syftet med detta projekt har varit att ge en samman­ fattande bild av uppvärmnings-och ventilationssystem med tillämpning av dynamisk isolering, dess fördelar och nackdelar samt dess möjligheter för framtida an­ vändning. Arbetet har delats upp i skilda underprojekt vars resultat dels publicerats separat, dels publiceras som bilagor till denna rapport. Samtliga dessa del­ uppgifter behandlas sammanfattningsvis i rapporten. Dessutom lämnas korta referat till publikationer om dynamisk isolering som inte finansierats genom detta projekt men ändå är av stor betydelse för helheten. I särskilda avsnitt har slutligen egna vinklingar av principens idé och därav sannolika framtida tillämpning redovisats. Med dynamisk isolering, som kan vara av motflödes- eller av medflödestyp, kan effekten av en värmeiso­ lering förbättras till extremt goda värden. Med mot- flödesprincipen, då luft strömmar mot värmeströmmen, åstadkommes besparingen genom att isoleringsskiktets utsida blir kallare varvid värmeavgivningen till om­ givningen minskas. Luften som strömmar in genom iso­ leringen uppvärms och den energi som fordras för detta är lika stor som om luften värmdes på annat sätt. En första förutsättning för ekonomi är därför att ett behov av uppvärmd luft föreligger. I medflödesversionen åstadkommes besparingen genom en sänkning av temperaturen på luften som går ut genom isoleringen och som då får förutsättas bli avluft som skall lämna byggnaden. För att nå en god effekt med den dynamiska isolerlngs- principen fordras att det redan finns en isolering som i sig ger ett hyggligt värmemotstånd. Det innebär att värdet av denna effektivisering av isoleringen blir av större ekonomisk betydelse och blir allt intressantare ju högre energipriserna blir. För att få ekonomi med dynamisk isolerinq idag fordras att installationen kan utföras enkelt och till låg kost­ nad. Skall man göra en fullständig analys av principens möj­ ligheter och begränsningar krävs tillämpning av ett synsätt kopplat till ekonomiska studier av såväl inves­ teringskostnader som drifts- och underhållskostnader för hela det betraktade systemet. Detta kräver ett in­ timt samarbete över fackgränserna för alla i byggpro­ cessen ingående parter. Förutsättningarna för en så om­ fattande ananys synes inte föreligga. 2 BESKRIVNING AV PRINCIPEN I ett konventionellt isoleringsskikt, som ofta är ett poröst material med minimal fast andel, eftersträvas att få luft eller någon annan gas att hålla sig så stilla som möjligt. Med stillastående luft som det värmeisolerande mediet kan värmekonduktiviteten teo­ retiskt bli så låg som 0.024 W/m, K. Praktiskt kan man med mineralull som fast material komma ned till 0.030 W/m, K. Med begreppet dynamisk isolering avses den värme­ isolering som uppnås genom att man tvingar luften, som finns i isoleringsskiktet, att röra sig med eller mot värmeströmmen. Vid motflödesisolering då luften rör sig mot värmeströmmen minskas värmeavgivningen från isoleringens kalla sida radikalt redan vid små lufthastigheter, någon meter per timçe. Exempelvis erhålles ett k-värde omkring 0.1 W/m , K med isoler- skikttjocklek 150 mm och en motflödeshastighet av 1.5 m/h. Vid medflödesisolering rör sig luften i samma riktning som värmeströmmen och hela isoleringskiktets temperatur stiger. Det betyder att temperaturskillnaden mellan rummet och isolerskiktet blir mindre och att värme­ strömmen från rummet därav blir mindre om man bortser från den värme den avgående luften för med sig. Om den avgående luften är avluft som i ett jämförelse­ fall skulle ha släppts direkt ut med den temperatur den har i rummet erhålles en energibesparing med medflödesiso1eringen. 93 ANVÄNDNINGSOMRÅDEN Dynamisk isolering kan tillämpas i princip för alla typer av byggnader samt för inklädnader av apparater och processer där större temperaturskillnader mot om­ givningen förekommer. Ett villkor för lönsamhet torde vara att det av andra skäl, hygieniska eller process­ tekniska, erfordras ett icke oväsentligt luftflöde till byggnaden eller till processen. 3.1 Bostäder Principen dynamisk isolering är tillämpbar för bostäder men behovet av ventilationsluft, ca 0.5 oms/h, är i minsta laget för att få isoleringen effektiv i varje fall i enbostadshus där både väggar och tak gränsar mot uteklimat. Avgörande för i vilken omfattning principen kommer att tillämpas blir ekonomin och om utförandet lämpar sig för serieproduktion. 3.2 Kontor, hotell, vårdbyggnader, skolor, etc. För alla dessa typer av byggnader är principen till- lämpbar. Ju större ventilationsbehov som erfordras dess bättre är förutsättningarna för att få en väl fungerande anläggning. Även i dessa byggnader blir ekonomin avgörande för tillämpningen. 3.3 Industri- och lantbruksbyggnader För dessa typer av byggnader är det sannolikt att prin cipen har största förutsättningarna att bli.ekonomiskt fördelaktig. I lokaler där frånluften ofta°är så föro­ renad av stoft och gaser att den inte kan återföras blir uteluftsbehovet stort. Det kan då vara.fördelak­ tigt att välja en takkonstruktion för dynamisk isole­ ring. En reversering av flödet för sommarförhallanden blir ofta nödvändigt. 3.4 Inkapsling kring ugnar och värmekrävande processer Dynamisk isolering kan vara en utomordentligt fördel­ aktig princip för isolering av ugnar och värmekrävande processer i industrier. Speciellt i förbrännings­ anläggningar där det fordras stora luftmängder för förbränningen torde det finnas goda förutsättningar för tillämpning. Även för tork- och härdningsugnar verkar förutsättningarna goda att utnyttja den dynamiska isoleringens princip för att få en effektiv värme­ isolering. 4 KOMMENTARER TILL DE DELRAPPORTER SOM TILLHÖR SAMMANFATTNINGEN 4 .1 Dynamisk isolering Teori för värmeisolering som genomströmmas av gas eller vätska. Författare: Gunnar Anderlind, Bernt Johansson BRF-rapport R162:1980 (separat utgivning) Rapporten redovisar på ett uttömmande sätt teorin för den dynamiska isoleringens princip. Såväl temperatur­ förhållanden som ånghalt behandlas i rapporten. Det dy­ namiska k-värdet redovisas i diagram och följande två diagram är så väsentliga att det finns anledning att återge dem i denna sammanfattning. V, m/h Fig 4.1 Dynamiskt k-värde som funktion av luft­ hastigheten då pc=1200 Ws/m , K för olika värden på A/dja^= <» , a u = °° . 11 V, m/h Fig. 4.2 Dynamiskt k-värde som funktion av lufthastig­ heten då P c = 120 0 Ws/m3, K. X = 0.040 W/m, K. Isolertjocklekar 50, 100 150 och 200 mm. a = “'au = " • Rapporten behandlar även hur riskerna för kondensation i isoleringsskiktet i motflödes- och medflödesversionen kan beräknas. Risken för kondens i motflödesversionen är givetvis liten medan den är uppenbar vid medflöden. Jämförelser mellan de teoretiskt beräknade temperatur­ erna i isoleringsskiktet med i tidigare försök upp­ mätta temperaturer visar mycket god överensstämmelse. I rapporten ges slutligen några exempel på tillämpningar med motflödestak och medflödesgolv. 4.2 Mätning av dynamisk isolerings filtrerande förmåga 1 2 Rapporten utarbetad av Arbetarskyddsstyrelsen, Arbetsmedicinska avdelningen, 1981. Författare: Anders Jansson Rapporten finns tillgänglig på Byggdok och hos Bengt Dahlgren Stockholm AB. Mätningarna genomfördes för att fastlägga isolerings- skiktets stoftavskiljande förmåga samt om fibrer från isoleringsskiktet kunde släppa och följa med tilluften in i lokalen. Fyra olika sammansättningar av isolerings- skikt studerades. Samtliga typer av isoleringsskikt visade sig ha utom­ ordentligt goda stoftavskiljande egenskaper. I följande tabell, som har nr 2 i bilagan, visas avskiljnings- graden. Kassett nr 1 ! 1 1 1 1 IV hast ighet . m/h 2 2 10 200 tryckfal1 . Pa -0.5 25 100 130 part i keldi am. avski 1 jningsgrad .. % .för respektive kassett 0 .01-0 .05 pm >33 >33 >99 >99 O.O5-O.5 pm >33 >33 >99 >95 0 .5 -5 pm >33-3 >99.-8 >99.8 >97 >5 pm >99.99 >99.99 >99.9 >99.9 Tabell 4.2 Lufthastigheter och tryckfall samt av- skiljningsgrader i olika partikerstorleks­ intervall. För intervallen 0.01 - 0.5 pm och >0.5 pm medförde mätmetodiken högsta mätbara avskiljingsgrad 99% respektive 99.99%. Inget av isoleringsskikten som provades kunde påvisas avge något fibermaterial till den luft som passerade. Risken för att isoleringsskiktet blir helt igensatt av damm, som följer med uteluften, kan också behöva bely-^ sas. Ett vanligt filter kan ackumulera omkring 600 g/ni utan att luftmotståndet blir orirjiligt stort. Med de lå­ ga hastigheter som förekommer i isoleringsskiktet torde en sådan storleksordning av ackumulationen vara fullt ^ acceptabel. Stofthalten i stadsluft ligger vid 250yg/m Med en lufthastighet genom skiktet av 1 m/h blir stoft­ halten per rn isoleringsyta : 8760 * 250 • 10-6 = 2.2 g/år Under normala stadsförhållanden skulle det således drö­ ja omkring 300 år innan det har fastnat så mycket damm i isoleringen att luftmotståndet påverkas. 4.3 Två förstudier av liftkvalitet i byggnad med dy­ namisk isolering. Rapporten är utarbetad av: Armin Guhl, OHA Statens Naturvårdsverk Hélène Nicander-Bredberg, Psykologiska Institu­ tionen, Stockholms Universitet Rapporten finns tillgänglig på Byggdok och hos Bengt Dahlgren Stockholm AB. Innehållet i rapporten återges enklast och i lämplig omfattning genom att citera författarnas sammanfattning "Resultaten av de kemiska mätningarna som utförts på luften i hus med dynamisk isolering, dels i enfamiljs­ hus, dels i badmintonhall är inte anmärkningsvärda. Var ken de flyktiga organiska eller de oorganiska ämnena förekom i några alarmerande höga halter. PIXE-analysen visar dock genomgående lägre halter oorganiska ämnen inomhus än utomhus och inga nya ämnen tycks ha tillkom­ mit vid luftens passage genom väggen. Antalet partikel­ mätningar som utförts är tyvärr för litet för att kunna bedömas meningsfullt då resultaten varierade mycket. Formaldehydhalten låg under den av socialstyrelsen re­ kommenderade gränsen. Fler provtagningar av det slag vi utfört skulle ej ge ytterligare information om den dynamiska isoleringens eventuella bidrag till luftför- oreningsgraden.Detta eftersom det är många material som avger ämnen i husen. Istället skulle det vara av intresse att studera enbart den dynamiska isoleringen i laboratorieexperiment under väl definierade förhållan­ den . " 14 4.4 Dynamisk isolering, konstruktiva lösningar. Rapporten är utarbetad av Axel Fagerstedt, K- konsult och den ingår som del II i föreliggande rapport. Utredningen behandlar lösningar och problem vid praktisk tillämpning av dynamisk isolering i byggnader. Av de frågor som behandlas förekommer bl a hur den dynamiska isoleringen påverkas av olika yttre klimatförhållanden. Emeden principen vanligen tillämpas i låga byggnader, enbostadshus och industrihallar blir inte termiska strömningar (skorstensverkan) av så stor betydelse. Vindpåverkan kan bli störande om inte motståndet för luftflödet genom isoleringen är tillräckligt stort. Ett vanligt luftmotstånd är enligt uppgift omkring 10 Pa och presenterade diagram visar att flödet genom isoleringen då kan minska ner till 50% av nominellt flöde vid vindhastigheter som förekommer under 5-10% av året. Detta påverkar givetvis isoleringens effek­ tivitet. Risk för fuktutfällning i den dynamiska isoleringen föreligger under vissa förhållanden. Vid motflödesiso- leringen bör dock principen leda till mindre risk för fuktutfällning än vad som gäller i konventionella bygg­ nader. Erfarenheten från provhus med dynamisk isole­ ring i väggar bekräftar detta. Med medflödesisolering, som oftast förekommer i golv, finns risk för fuktutfällning om temperaturen under golvet blir så låg att den närmar sig daggpunk­ ten för frånluften. Även i detta fall visar erfaren­ heten att lämpliga konstruktiva lösningar undanröjer riskerna. (Se mer om detta nedan där erfarenheter från Anebyhus redovisas.) Med motflödesisolering i tak finns risk att termiska luftströmmar i ex.vis en fabrikshall kan orsaka lokala bakåtströmmar, (medflöden) och att då fuktig lokalluft kan kondensera i takets kalla område. Även snabba yttre klimatväxlingar kan orsaka kondens på yttertakets undersida om relativa fuktigheten utom­ hus närmar sig daggpunkten och samtidigt takets ytter- temperatur av någon anledning ex.vis på grund av strål­ ning mot rymden eller värmekapacitet i takkonstruktion möjligen även p g a snö på taket är lägre än lufttem­ peraturen. Det rör sig dock om korta tider och med nor­ mala förhållanden bör en upptorkning snart erhållas. KOMMENTARER TILL ÖVRIGA RAPPORTER AV BETYDELSE FÖR SAMMANFATTNINGEN 15 5.1 Provhus Mätningar Författare: Carl-Axel Boman, Mats Matsson BFR-rapport R142:1981 Till kommentarerna har fogats några kompletterande syn­ punkter med anledning av besök i provhuset 1983-02-25 av Arne Elmroth, David Södergren och John Granström. Mätningarna har genomförts i ett enbostadshus med dynamisk isolering uppfört i Aneby 197^ av Anebyhus. Provhuset har en invändig yta av 146 m i ett plan. Under första 10 månaderna av mätperioden var huset obebott. Familjen som bor i huset sedan oktober 1980 består av 2 vuxna och 2 barn. Det samband mellan utetemperatur och värmepannans effektbehov som redovisas för mätperioden innan familjen flyttade in antyder ett årsenergibehov av ca 16 000 kWh. Samma samband gällande den tid huset varit bebott visar ett minskat behov av energi från värmepannan (fortfarande utan tappvarmvattenför- brukning). Aproximativt fordras för ett år 13 000 kWh. Om energin för hushållsapparater, inv. belysning och fläktar adderas erhålles 16 500 kWh. (Tappvarmvatten ingår ej.) Luftomsättningen är ganska exakt 0.5 oms/h. Familjen önskar en innetemperatur av omkring +20 C och proven visar att denna temperatur upprätthålles ganska väl under eldningssäsongen. Uppvärmnings- och ventilationssystemet är något mer komplicerat än vad som är normalt. Uteluft tas in vid taket, passerar innanför en ytterpanel och sugs in genom isolerskiktet (110 mm mineralull) till sug- kassetter som är anslutna till tilluftsfläkten. Tilluften tillsammmans med dubbelt så mycket cirkula- tionsluft trycks in genom värmare (konvektorer) i spalter på ytterväggarnas insidor och kommer in i bostaden genom springor i underkant fönster eller i överkant vägg. Frånluft tas ut i kök, bad, WC och tvätt och efter att passerat medflödesgolvet kommer den ner i krypgrunden och sugs ut av avluftsfläkten. Synnerligen omfattande och noggranna klimatmätningar har genomförts av SIB-personalen. Genomgående kan konstateras att systemet fungerar helt enligt planerna med en mycket jämn inomhustemperatur. Temperaturgradi- enten i vertikalled är bara några tiondels grader. Mätningar med globtermoipeter visar samma jämna temperatur. Solstrålning på ytterpanelen påverkade inte nämnvärt tilluftens temperatur. Temperaturen i luftspalten på söderfasaden var under hela mätperioden nästan exakt densamma som på norrfasaden. Det kan konstateras att den fuktiga luft som sugs ut från badrum och torkskåp direkt ner i golvisoleringen inte vållat något som helst obehag med fukt vare sig i isolering eller krypgrund. Temperaturen i kryp­ grunden har under hela mätperioden legat i intervallet +15 i 3°C. Vid besök i huset 1983-02-25 kunde konstateras att det termiska och hygieniska klimatet fortfarande var bra. Utetemperaturen var omkring 0°C och soligt väder rådde. Lufttemperaturen i de flesta rum var ca 20°C. Vägg­ temperaturer ovanför konvektorer var ca 24°C. Väggar utan konvektorer höll 17.5 - 18.0°C. Golv­ temperaturerna låg mellan 18.0 och 19.5°C. Taktempera­ turen var ca 20°C i alla rum. Tilluftstemperaturen var omkring 26 C. Fönstren, 2+1 glas, hade en invändig yttemperatur av mellan 16 och 18°C. Företagsledningen för Anebyhus meddelade att de inte inom överskådlig tid kommer att ändra sin prototyp­ konstruktion till dynamisk isolering i tak eller väggar trots bra klimat i provhus.De konstruktiva lösningar som har tillämpats i provhuset för att eliminera ris­ ken för termiska störningar är förhållandevis kompli­ cerade. Medflödesgolv föreföll att vara av någon stör­ re intresse. 5.2 Ett unikt system Ett nytt unikt system för energibesparing i småhus Författare: Torgny Thorén STU-information nr 76-1978 Rapporten redovisar principen för dynamisk isolering i första hand vid tillämpning i enbostadshus. Många av de lösningar som sedan använts för provhuset i Aneby beskrivs. Författaren till rapporten, som dessutom är uppfinnare till principen, visar jämför­ elser mellan konventionellt utförda enbostadshus och hus med dynamisk isolering vad beträffar beräknade energibehov och antagna produktionskostnader. I vissa avseenden bekräftas teorierna i rapporten av resul­ tatet från provhuset i Aneby ex.vis vad gäller energi­ behov och termisk komfort. I andra avseende har det praktiska utförandet visat sig ge något avvikande resultat från teorierna i rapporten ex.vis angående solvärmetillskott från fasaderna. Den erforderliga merinvesteringen som uppskattats av författaren gäller vid serieproduktion och någon bekräftelse på dessa siffrors relevans har inte varit möjligt att få från tillverkaren. 17 5.3 Dynamisk isolering och återvinning Rapporten hänför sig till ett forskningsanslag från Sydkraft AB:s Stiftelse Författare: Lars Jensen, Lunds Tekn. Högskola Rapport BKL 1982:4 Författaren anser det nödvändigt att vid jämförelse av dynamisk isolering med annan isolering också ta hänsyn till andra möjligheter till värmeåtervinning, kombinerad med såväl dynamisk- som konventionell isolering. Den värmeåtervinning som studeras i olika varianter baseras genomgående på principen att ta värme ur från- luften och med den värma tilluften. Om detta kombineras med dynamisk isolering kan tilluftsflödet antingen pas­ sera i serie,först genom isoleringen och sedan genom värmeväxlaren eller parallellt, en del genom isole­ ringen och en del genom värmeväxlaren. Det bör observe­ ras att det fordras stora luftflöden i synnerhet med parallella flöden. Sammanfattningsvis anges några slutsatser varav följande citeras: "Fallet med dynamisk isolering parallellt med ventila- tionsvärmeåtervinning ger högre relativ besparing än fallet med dynamisk isolering i serie med ventilations- värmeåtervinning". "De förbättringar som har erhållits är måttliga jäm­ fört med vanlig isolering och värmeåtervinning. Dynamisk isolering kräver inte obetydliga byggnads- tekniska och installationstekniska åtgärder och därpå följande kostnader". Rapporten är ett bra exempel på det systemtekniska synsätt som är nödvändigt att tillämpa då dynamisk isolering ställs mot andra energibesparande årgärder. 6 FUNKTIONSANALYS Utöver de teoretiska och praktiska analyser av princi­ pen med dynamisk isolering som redovisats i ovanståen­ de rapporter, kan följande aspekter vara belysande för att bedöma principens framtida tillämpning. I motströmsalternativet där principen tillämpas i sin mest renodlade form och som kan bli aktuell i samband med enbostadshus, industrihallar, idrottsanläggningar, ugnar etc, strömmar luft från omgivningen genom den värmeisolerande väggen eller taket in mot det utrymme där temperaturen skall upprätthållas. 18 Värmen kan generellt betraktat försvinna ut ur en bygg­ nad via två vägar: dels kan luften som lämnar byggna­ den (avluften) ha högre värmeinnehåll än den uteluft som kommer in, dels kan värme via strålning, ledning eller konvektion avges till omgivningen från byggna­ dens ytteryta. Värmeförlusterna via luftflödet kan minskas genom att man sänker avluftens värmeinnehåll (temperatur och fuktighet) eller genom att man minskar luftflödet genom byggnaden. Vad som i övrigt händer med luften vid dess passage genom byggnaden har ingen betydelse. Värmeförlusterna via strålning, ledning eller konvek­ tion från byggnadens ytteryta kan minskas genom att man minskar byggnadens ytteryta, minskar värmeöver- gångstalet eller genom att man minskar temperaturskill­ naden mellan ytan och omgivningen. Ytterytans storlek och värmeövergångstal är i allmänhet konstanter som är svåra att göra något åt medan temperaturen vanligtvis är den faktor som kan påverkas. Hur är då möjligheterna att med dynamiska isoleringens princip minska värmeförlusterna enligt de beskrivna vägarna? Med en motflödesvägg eller ett motflödestak närmar sig ytterytans temperatur den omgivande luftens temperatur på grund av att luften strömmar in genom väggen. På så sätt erhålles en värmebesparing och dess effekt kan bestämmas av de tabeller och diagram som finns i Anderlind-Johansson. Rapport R 162:1980. Temperaturen på den avluft som går ut från byggnaden påverkas inte av den dynamiska isoleringsprincipen i motflödesvarianten. Värmebehovet för att värma luft­ flödet genom byggnaden är således detsamma som i ett konventionellt ventilationssystem. När luften strömmar genom isoleringen i medflödesvari­ anten erhålles därmed en sänkning av temperaturen som gör att värmeförlusten för ventilation minskar. De effekter som den dynamiska isoleringsprincipen åstadkommer för värmebesparingen genom att byggnadens yttertemperatur i motflödesfallet närmar sig utetempe­ raturen och likaså av att avluftens temperatur i med- flödesfallet närmar sig omgivningens temperatur kan naturligtvis uppnås även med andra åtgärder. Vid mot- flödesprincipen kan den sänkning av yttemperaturen som inträffar på väggens insida lätt bli besvärande och åtgärder kan erfordras för att undanröja sådana risker. Omvänt bör uppmärksammas fördelen av varma golv vid medflödesisolering i golv. 19 7. TILLÄMPNINGSANALYS INKL. EKONOMISKA ASPEKTER I vilken omfattning dynamisk isolering kommer att utnytt­ jas i framtiden beror på hur det går att finna enkla och billiga lösningar för att tillämpa principen och hur kostnaderna för dessa lösningar ställer sig i rela­ tion till andra värmebesparande system. Den dynamiska isoleringens mest iögonfallande egenskap är hur snabbt värmemotståndet i en vägg ökar så snart en luftström möter värmeflödet. Om k-värdet är 0,28 W/m2, K med en 150 mm tjock isolering i en statisk konstruktion går det ner till hälften 0,14 W/m^, K i den dynamiska varianten med en luftström av 1 m/h. Vär­ dena ligger vid vanligtvis förekommande nivåer. Ekono­ min med den värmebesparing som principen ger måste dock uppvägas av den ökade investering som fordras för att få en jämn fördelning av luftflödet genom byggnads­ elementet. En jämförelse måste också göras med andra möjligheter för energibesparing för att just den dyna­ miska isoleringens princip skall kunna fastställas som den bästa. En tjockare isolering i väggen kan ev. vara billigare. I dag föreliggande erfarenheter tyder på att tak i in­ dustrihallar eller andra lokaler med relativt stora ventilationsbehov har bästa förutsättningarna för att ge ekonomiskt fördelaktiga lösningar med tillämpning av den dynamiska isoleringsprincipen. Behovet av ven- tilationsluft måste vara så stort att luftflödet räcker för att åstadkomma en god dynamisk isolering. Om luft­ flödet måste ökas för värmeisoleringens skull försvin­ ner ekonomin med principen mycket snart. Om dynamisk isolering används i ett industritak för att minska värmeförlusterna vintertid fordras att en annan lösning tillämpas under sommarförhållanden då annars solvärmen från taket kan orsaka okomfortabla tempera­ turförhållanden i lokalen. En god lösning kan vara att reversera flödet genom taket sommartid. Med axial- fläktar finns vissa möjligheter att genom ändrad rota- tionsriktning reversera flödet. Med kanalsystem och spjäll kan samma omkastning av flödet genom takisole­ ringen åstadkommas trots att flödet genom fläkten är likriktat. Eftersom tilluftsfläkten för vinterförhål­ landen ändras till en frånluftsfläkt under sommartid måste vinterns tilluftssystem kompletteras med något annat system för tilluft under sommarfallet så att det räcker såväl för avluft genom tak som avluft till pro­ cesser enligt vinterfallet. Medflödesprincipen har förutsättningar att komma till användning där inte andra möjligheter att ta tillvara värmen i avluften föreligger. Om principen används för exempelvis ett golv kan isoleringen i golvet göras nå­ got tunnare genom att rumsluften strömmar ner genom isoleringen under golvytan och håller den varm. Prin­ cipen har, som beskrivits ovan, tillämpats på prov i ett bostadshus och med ett luftflöde motsvarande bygg­ normens krav har fuktigheten från bostaden inte orsa- kat några problem med fukt i krypgrunden under huset. Risken för fuktutfällning i samband med medflödes- konstruktioner behöver dock uppmärksammas och det bör framhållas att grundmurar och mark i kryputrymmen kan behöva isoleras för att temperatursänkningen där skall bli måttlig. Omvänt kan sägas att med motflödeskonst- ruktioner är riskerna för några fuktproblem små. När stora temperaturdifferenser föreligger, vilket kan vara fallet i vissa industriprocesser vid ugnar, tor­ kar etc. torde möjligheten att få ekonomiska lösningar genom tillämpning av dynamiska isoleringsprinciper va­ ra stora. Med de energipriser som råder i början av 1980-talet har hittills förekommande projekt visat att det kan vara svårt att utföra en anläggning för dynamisk iso­ lering till så låga kostnader att energibesparing blir en god affär. Om energipriserna ökar i relation till andra kostnader kommer förutsättningarna för att få ekonomiska anläggningar med tillämpning av den dyna­ miska isoleringsprincipen att bli gynnsammare. Industriell tillverkning av byggkomponenter kan minska extrakostnaderna för dynamisk isolering. DYNAMISK ISOLERING Del II Ventilationstekniska grunder för praktisk tillämpning i byggnader Axel Fagerstedt FÖRORD Föreliggande rapport behandlar en icke konventionell isolerteknik kallad dynamisk isolering som genomströmmas av en gas eller vätska. Metoden har patenterats och utvecklats av byggnadsingenjör Torgny Thorén. Utredningen har finansierats av Statens råd för byggnadsforskning och ingår som en del i ett projekt om dynamisk isolering. Stockholm mars 1983 Axel Fagerstedt 1 FRÅGESTÄLLNINGAR KRING ANVÄNDNINGEN AV DYNAMISK ISOLERING 24 Frågeställningarna vid användningen av dynamisk isole­ ring kan vara många och av högst skiftande natur. Ny teknik innebär att gamla och invanda metoder ändras. Nya kunskaper kräver insatser i tid och engagemang. Dåliga kunskaper, att tekniken spänner över många nu åtskilda teknikfack samt en allmän misstro mot nyheter har bidragit till en hittills blygsam tillämpning av dynamisk isolering. Rätt nyttjad kommer tekniken att kunna erbjuda så många fördelar att tillämpningen i framtiden bör kunna bli betydande. Nedan nämns några av de viktigaste frågeställningarna vid användningen av dynamisk isolerteknik 1 Tänkbara användningsområden 2 Isoleringsförmåga 3 Övriga energibesparande effekter 4 Inneklimat 5 Kostnadsaspekter 6 Täthetskrav på byggnaden 7 Luftfördelningen över isoleringen 8 Diffusion och fuktvandringar Av dessa behandlas 6, 7 och 8 mer ingående i kapitel 2, 3 och 4. Låt oss först klargöra var i den huvudsakliga skillnaden mellan statisk och dynamisk isolering ligger. I konven­ tionell statisk isolerteknik försöker man i allmänhet begränsa värmetransmissionen till följd av ledning, strålning och diffusion genom att innestänga luft i ett poröst material med en diffusionsspärr mot den varma sidan. Vid tillämpning av dynamisk isolerteknik eftersträvar man att upprätthålla ett jämt utbrett styrt luftflöde genom isoleringen. Två huvudprinciper kan särskiljas. Medflödes- respektive motflödesisolering. I medflödes- fallet går luftflödet och värmeflödet i samma riktning medan luftflödet är motriktat i värmeflödet i mot- flödesfallet. I korthet kan medflödesprincipen sägas gå ut på att spillvärme i t ex förbrukad varm frånluft används till att värma upp en inneryta så att rumsluftens värme­ innehåll ej transmitteras till ytan. Vid motflödes- isolering gäller att utåtgående transmissionsvärme upptas av ett inåtgående kallare tillutftsflöde. 25 1.1 Några användningsområden Användningsområden för dynamisk isolerteknik är betyd­ ligt mer mångskiftande än den för konventionell statisk isolerteknik. Den för närvarande enklaste tillämpningen torde vara att tak förses med motflödesisolerande tak i olika hallbyggnader. Gjorda beräkningar i efter­ följande avsnitt behandlar främst detta fall. Motflöde i tak kan med fördel kombineras med medflöde i golv t ex i småhus.Ytterväggar kan givetvis också förses med dynamisk isolering. Därutöver finns en rad nya tillämpningar inom industrin som dock inte kommer att behandlas här. Solvärmeinfångning med hjälp av dynamisk isolering är möjlig i manga olika tillämpningar. Genom styrning av flödet kan även besvärande solvärme enkelt hindras att tränga in i byggnaden. Då luften genom en dynamisk isolering omväxlande går i olika riktning, ömsom mot­ flöde ömsom medflöde, kan en regenerativ luftvärme- växling av till- och frånluft uppnås. Utöver de direkta applikationer som nämnts bör påpekas att möjligheterna för ytterligare innovationer är stora. 1.2 Isoleringsförmåga Teorin för hur isolereffekten varierar för olika flö­ den finns beskriven i (1). I fig 1.2.1 visas ett exempel. Kurvorna varierar naturligtvis beroende på vilka materialkonstanter och andra ingångsvärden som väljs. Jämför fig 5.4 i (1). Trots betydande ansträngningar till förbättringar före­ kommer emellertid fortfarande stora transporter av såväl värme, luft och fukt genom konventionell statisk isolering. Dels beror detta på att ekonomiska skäl be­ gränsar valet av isolertjocklek, dels på att fulllstän- dig täthet är svår att uppnå i normala byggnader. Vid konventionell isolerteknik strömmar således luft, värme och fukt med olika hastighet och i olika rikt­ ningar genom isoleringen beroende på vilka klimat­ betingelser som för tillfället råder. Då en byggnad är riktigt konstruerad är riktningen och storleken av dessa strömmar i genomsnitt över en längre tidsperiod sådana att eftersträvad isolereffekt ändå i stort upp­ nås samtidigt som fuktvandringen ej orsakar bestående skador. 26 X = 0,OS3 ec = i3oo svj/mî« Fig 1.2.1 Det dynamiska k-värdet k£yn, för olika mineralullstjocklekar, d, och Lufthastigheter V genom isoleringen. Grunderna för beräkningarna finns ^beskrivna i (1) *= 0,33 W/m2 °c pCp=1300 Ws/m3°C, Mj_= Mu=0,25 m2 °C/W 27 Dessa förhållanden torde ej vara okända för flertalet läsare. Det är emellertid viktigt att ständigt hålla det ovan nämnda i minnet när kunskaper från konventio­ nell statisk isolerteknik i tillämpliga delar skall tillämpas på den nya dynamiska isolertekniken. Läsaren bör således ej förfasas över att luftflödet genom dyna­ misk isolering kortare perioder kan gå i motsatt rikt­ ning mot det eftersträvade. Olika flöden genom statis­ ka isoleringar går i allmänhet i oönskade riktningar under mycket längre tidsrymder. De i fig 2.6.1 - 2.6.11 redovisade flödesminskningarna kan lite förenklat sägas motsvara motriktade flöden i konventionell statisk isolering. Förutsatt är då att samma täthet förekommer i byggnadsdelarna samt att o- tätheterna är jämt fördelade. Att speciellt byggnader med konventionellt statisk isolerade plana tak ofta uppvisar fuktproblem är ej förvånande med tanke på vad som ovan nämnts. 1.3 Övriga energibesparande effekter Förutom den värmeisolerande förmågan finns ytterligare energibesparande effekter vid användning av dynamisk isolerteknik i byggnaders klimatskal. I allmänhet kan t ex temperaturgradienten inne i bygg­ naden minskas varvid en lägre genomsnittlig temperatur­ skillnad till omgivningen är möjlig. Storleken av denna besparing varierar mycket från fall till fall. Betydan­ de besparingar kan förväntas i byggnader med stor tak­ höjd. Förutsatt att lika byggnader jämförs minskar den oav­ siktliga ventilationen i byggnader med dynamisk isole­ ring. Minskningen blir per ytenhet störst för plana takytor. Sker jämförelsen med konventionella byggnader med stora temperaturgradienter ökar besparingseffekten ytterligare. Beräkningar tyder på att besparingseffek­ terna ofta blir betydande. För att erhålla storleks­ ordningar på besparingarna kan fig 2.6.1 - 2.6.11 stu­ deras . Risken för dragproblem minskar oftast vid användning av dynamisk isolering. Dragproblem är ofta orsaken till för höga innetemperaturer. Behovet av att kompensera drag med höjd innetemperatur kan därför förhoppningsvis elimineras. Några direkta mätningar av ventilationseffektiviteten vid användning av dynamisk isolering finns ej ännu. Mycket talar för att effektiviteten kan göras hög. Lå­ ga temperaturgradienter samt en utbredd lufttillförsel är positiva faktorer i sammanhanget. I den mån en ök­ ning av ventilationseffektiviteten kan påvisas borde denna kunna leda till en minskning av ventilationsflö­ det. Luftspalter kring den dynamiska isoleringen tjä­ nar i första hand till att fördela luftflödet genom isoleringen, men bidrar också till att ytterligare hö­ ja isolereffekten. Rätt utformad kan luftspalten dess­ utom tjänsgöra som solfångare. Solvärme i betydande mängder kan på detta sätt tillföras byggnaden. Om oöns­ kade tillskott sommartid ska kunna undvikas bör flödet kunna regleras. Regleringen kan skötas på ett flertal olika sätt. En avstängning eller reversering av til- luftsfläkten är oftast tillräcklig. Sammanlagt kan energibesparingarna av ovan nämnda ef­ fekter ofta tom överträffa de som erhålls genom den minskade värmetransmissionen, k. -värdet.dyn 1.3.1 Kombination med värmepump Eftersom frånluften ej utnyttjas till värmeväxling med frånluften kan dynamiskt isolerade byggnader med fördel förses med frånluftsvärmepump. I de fall från- luftsvärmepump och luftvärmeväxlare är energimässigt jämförbara är således de energimässiga besparingarna genom den dynamiska isoleringen det som skiljer de båda alternativen. Då i dag frånluftvärmepumpen en­ sam är ett energimässigt konkurrenskraftigt alternativ torde kombinationen med dynamisk isolering bli ett energimässigt svårslaget alternativ. Att jämföra FTX-system i konventionellt statiskt iso­ lerade byggnader med dynamisk isolerade byggnader utan frånluftsvärmepump är ej kostnadsmässigt relevant efter­ som det första alternativet är så pass mycket kostsam­ mare . För att isoleringen skall fungera som dynamisk isole­ ring krävs naturligtvis att avsett luftflöde upprätt­ hålls. Under vissa delar av dygnet behöver en del bygg­ nader ej någon ventilation. I konventionellt statiskt isolerade byggnader stängs då den mekaniska ventila­ tionen av. I många utföranden är detta möjligt även med dynamisk isolerade byggnader. För somliga utföran­ den kan dock förfarandet, beroende på oönskade fukt­ vandringar, vara mindre lämpligt. Då dynamiskt isole­ rade byggnader är försedda med en frånluftsvärmepump behöver kontinuerlig ventilation ej betyda någon ener­ gimässig nackdel. Vid låga ventilationsflöden genom den dynamiska iso­ leringen erhålls negativa termer i energibalansen för följande kombinationer av utetemperaturer, t , och frånluftstemperaturer efter värmepumpen, t . inne- temperatur och frånluftstemperatur är satta^till 20°C. t = +10°C t ^ < + vp ute " + 5 " " < -10 0°C - 0 -20 Då angivna utetemperaturer överskrids erhålls positi­ va bidrag till energibalansen. I en energimässig års- balans kan det m a o i bland visa sig energimässigt fördelaktigt att låta ventilationen gå dygnet runt. 1.4 Inneklimat Det inre klimatet i en byggnad kan påverkas på ett flertal olika sätt av den dynamiska isoleringen. Nedan nämns några av de viktigaste. 1 Filtreringsegenskaper 2 Akustikegenskaper 3 Luftrörelser och strålningstemperaturer 1.4.1 Filtreringsegenskaper Många farhågor och vanföreställningar har florerat kring den dynamiska isoleringens filtrerande egenska­ per. Tankar på att isoleringen skulle sättas igen och att tilluften skulle rycka med sig mineralulls- fibrer har med jämna mellanrum framförts. Mätningar ger vid handen att filtergraden vid normala applikationer ofta ligger över 99%. Filtreringsgraden överstiger m a o vida vad som normalt krävs. För medryckning av isolerfibrer krävs en lufthastig­ het av flera meter per sekund. Lufthastigheten genom dynamisk isolering är i regel endast några meter per timme! När motflödesisoleringen förses med ett inre reglerskikt med luftkanaler på några tiondels mili- meter, försvinner möjligheterna till fibernedfall helt. Någon medryckning av mineraullsfibrer har ej kunnat konstateras ens vid för dynamisk isolering extremt höga lufthastigheter. Faran för att isoleringen skulle sätta igen sig vid applikationer med normal uteluft blir ej aktuell förrän efter hundratals års användning. Om tekniken används i miljöer där igen- sättningen kan ske snabbare innebär det ökade tryck­ fallet under stor del av denna tid oftast ett sta­ bilare flöde. I ett längre perspektiv kan det dock då bli aktuellt med val av en större fläkt eller ett förfilter av utbytestyp. 1.4.2 Akustikegenskaper Akustikegenskaperna går ej att beskriva generellt. Två olika egenskaper kan särskiljas. Den första av­ ser ljuddämpningen av fläktljuden. Den andra och mest betydelsefulla avser möjligheterna att utnyttja den dynamiska isoleringen för rumsakustisk dämpning. Möjligheter till stor absorbtionsyta utan hygieniska nackdelar och utan stora extra kostnader för separata dämpningsanordningar erbjudes genom tillämpningar av dynamisk isolerteknik. Beräkningar och bedömningar får dock göras från fall till fall. Beräkningstekniken skiljer sig inte nämn­ värt från den som normalt tillämpas i andra byggnads- tekniska sammanhang. 1.4.3 Luftrörelser och strålningstemperatur Redan tidigare har positiva effekter med låga temperaturgradienter och dragfrihet nämnts som möjliga vid användning av dynamisk isolerteknik. Då t ex hela takytan använts för tillförsel av luft till rummet blir fördelningen över rummet extremt god. I de fall stora mängder luft önskas tillföras rummet på detta sätt måste följande beaktas. Yt­ temperaturen mot rummet får ej bli besvärande låg. Kompensation med andra varma ytor kan eliminera besvärande sänkt yttemperatur på dynamiskt isolerade ytor. Jämför med radiatorer som traditionellt kompen­ serar kalla fönster. Stora luftmängder genom den dynamiska isoleringen kan i vissa fall ge upphov till kallras om ej tillförseln ordnas på tillfredsställande sätt. 1.5 Kostnadsaspekter Valet av byggnads- och isolerteknik är oftast utsatt för olika ekonomiska prövningar. En jämförelde mellan kostnaderna för konventionell statisk dynamisk isolerteknik är därför naturlig. Jämförelser kräver dock kunskaper om vad som jämförs. Bl a följande områden bör beaktas. Investeringskostnaderna för: Stommen Isoleringen Ventilationen Uppvärmningen Värmeåtervinningen Lj udabsorbtion Driftkostnaderna för: Uppvärmning Personal Reparationer Underhåll Eftersom en kostnadsjämförelse där alla kvaliteter är helt likvärdigt prissatta oftast är omöjlig blir kostnadskalkylerna mer eller mindre trubbiga instrument som inte sällan bedrar köparen. Förutom den förbättrade isolerförmågan är god filtrering av tilluften, avsaknaden av filterbyten, god rumsakustik, minskade (2.3.3.3) 36 <4 PMF. ^PFläkt,F + PR 1 ■ P O 0.6 X Cpjy[p X VMp - 0,04 x (T. - T ) (Z - -Z.)R o ref i (2.3.3.4) 2.3.4 Fläktar Tryckets beroende av flödet för en fläkt blir ofta mycket komplicerat. Inom ett mindre intervall kan det väl app- roximeras med en rät linje medan det i ett stort intervall antingen måste delas upp i ett flertal mindre intervall eller approximeras med en mer komplicerad funktion. Detta arbete går inte närmare in på dessa samband utan uttrycker till- och frånluftsf läktarnas kurvor som /) p .... (q„T> resp ^PFlatt,F . Flakt'T 2.4 Det sammansatta systemet av tryckberoende flödes- funktioner. För en byggnad vilken ej är utsatt för vind- och termiska tryck kan de tryckberoende flödesfunktionerna ritas upp som i fig 2.4.1. Systemet är i balans. Dvs det uppfyller ekv (2.2.1). Balansläget kan erhållas genom antingen grafiskt eller matematiskt passningsarbete. När vind- och termiska tryck påverkar byggnaden ändras balansläget. Varje ändring leder till en ny passnings- beräkning. För att på ett rationellt sätt behandla en större mängd ingångsvärden krävs ett datorprogram. Ett sådant program har också utvecklats. Behandlingen av indata samt resultat av några beräkningar presenteras nedan. 37 Tryck Flöde qMF Fig 2.4.1 Tryck som funktion av flöde för de olika delarna i en byggnad med dynamisk isolering. Byggnaden är ej utsatt för vind eller ter- miska tryck. 2.5 Behandlingen av indata vid beräkning av luft­ växlingen I avsnitten 2.5.1 - 2.5.4 redovisas dels vilka möjliga ingångsvariabler som kan användas i det utarbetade dataprogrammet dels vilka värden på variablerna som har använts vid beräkningarna. 2.5.1 Byggnadens geometri Byggnadens ytterhölje delas upp i sex areor. Två av dessa innesluter den dynamiskt isolerade ytan med sin luftfördelningsspalt. De fyra återstående utgör bygg­ nadens övriga klimathöljen vilka ej antas innehålla dynamisk isolering. Uppdelningen är främst gjord för att behandla lösningar med dynamisk isolering i tak­ konstruktioner. Det finns dock inga principiella hinder för att behandla väggar på samma sätt. 38 Fig 2.5.1.1 Numreringen av en byggnads sex ytterareor i relation till längderna L och , bred B och höjd H, vid dynamisk isolering i tak­ konstruktioner . Areauppdelningen ansluter till byggnormens uppdelning av areor för beräkning av vindpåkänningar. För att underlätta jämförelser mellan byggnader med olika di­ mensioner införs här en faktor, F, som ett mått på relationen mellan area 1 och 2 resp 3, 4, 5 och 6 F A1 + Ä2 A3+A4+A5+ä6 Luftens strömning i fördelningsspalten under A. och A^ förutsätts ske utan tryckändringar. Denna förut­ sättning antas även gälla för kommunikationen mellan de bägge areornas spalter. I de redovisade beräkningarna behandlas endast bygg­ nader med kvadratisk form dvs L = B. Vidgre har konsekvent fått halva värdet av L, = •j. Denna inskränkning har gjorts för att begränsa para­ metrar. Inskränkningen påverkar inte på något allvar­ ligt sätt möjligheten att bedöma byggnader med annor­ lunda dimensioner. Indata i programmet är L, L^ , B och H. 2.5.2 Formfaktorer Formfaktorerna påverkar trycket på utsidan av klimat­ höljet enl ekv 2.3.1.4. Numrering av formfaktorerna ansluter sig till areornas numrering se fig 2.5.1.1. Två olika tryckbilder har kommit till användning vid beräkningarna. Med den areauppdelningen som redovisats ovan skiljer de båda tryckbilderna sig åt så till vida att den ena, nr 1, ger en sammanlagrad negativ resul­ tant för areorna 3-6 medan den andra, nr 2, ger en positiv resultant. Värdet på formfaktorerna i de två tryckbilderna redovisas enl nedan. Tryckbild nr 1 Cp = - 0,8 > Cp2 = - 0,5 _ Cp3 = + 0,7 Cp4 = - 0,5 :« Cp5 = - 0,6 Cp = - 0,6 4 □ Cp12 = - 0,64 Cp36 = - 0,18 Tryckbild nr 2 O v II - ooo cp2 = - LOo cp3 = + 0,5 O II - o OJ Cp5 = + 0,5 cp6 = - 0,3 \ □ Cp12 = - 0,64 Cp36 = + 0,027 Under förutsättning att konstanterna k och b i avsnitt 2.3.1 är lika för de olika delareorna kan en resulte­ rande formfaktor för areorna 1 och 2 resp 3, 4, 5 och 6 uträknas enl nedan (Z: tot x CP.V = Cptot (2.5.2.1) Cp. för A. och A , som här betecknas Cp19, har i beräkningarna hållits på en konstant negativ nivå. Denna negativa nivå är tänkt att motsvara ett relativt plant tak. Vid brutna tak ökar den resulterande form­ faktorns värde. Ju spetsigare brytning desto högre värde på formfaktorn. Resonemanget förutsätter en god kommunikation mellan areornas spalter. Då form­ faktorn för taket ökar, ökar mestadels flödet genom isoleringen under vindpåkänningar. Det innebär att brutna tak eller andra konstruktioner med högre resul­ terande formfaktor kan tänkas ge bättre värden än de som redovisas i efterföljande avsnitt. Problemen med stora taklutningar behandlas framförallt i avsnitt 3. Motsvarande förhållande för väggarna är att större formfaktor ger lägre flöde genom isoleringen. Tryck­ bild nr 2 utgör m a o en större störning av flödet genom den dynamiska isoleringen. Detta är anledningen till att tryckbild nr 2 har använts för de flesta beräkningarna. Som framgår av ekv (2.5.2.1) kan den resulterande formfaktorn variera genom att areornas förhållande till varandra varierar. Med bibehållna tryckbilder blir den maximala variationen av de resulterande form­ faktorerna enligt nedan. Tryckbild nrI 1 Tryckbild nr 2i n \n o 00 A *[ < - 0,5 I O CO A ßl NJ < - 0,5 - 0,6 < Cp36 < + 0,02 (- 0,3)< Cp36 < ( + 0,5) Den maxiamalavariationen av Cp i tryckbild nr 2 är närmast att betrakta som utopisk. Om areaförhållandet ändras så att byggnaden får en mer rektangulär golvyta ändras ej storleken av Cp3g jämfört med den använda. Vi ser att förhållandena lätt kan leda till en ökning av flödet genom den dynamiska isoleringen. Möjligheten till motsatt effekt är mindre sannolik. Ett fenomen som naturligtvis starkt kan bidra till ett ändrat flöde genom isoleringen är om någon dominerande otäthet finns i en av väggarna. Förutom byggnadens ytterhölje finns möjlighet att med två formfaktorer Cp och Cp beskriva vindens inver­ kan på tilluftens inlopp resp frånluftens utlopp. Indata i programmet är Cp., Cp Cp,, Cp. Cp. Cp,, CpTFoch CppF. 1 J 4, 5, 6 2.5.3 Tryckberoende flödesfunktioner Flödet genom en area kan skrivas enl ekv 2.3.1.1. Värdet av exponenten b varierar beroende på om strömningen ge­ nom arean är turbulent eller laminär. För de här redo­ visade beräkningarna har värdet av b i ekvationerna för klimathöljet och isoleringen givits värdet 0,67. Detta värde ligger någorlunda mitt emellan de båda ytterlighetsfallen och torde vara relativt vanligt för läckage i byggnader. 41 Vad gäller väggar och tak kan värdet av konstanten k i ekv~(2.3.1 .1 ) bestämmas enl följande. Läckaget, q5Q, per irt bestäms vid en tryckdifferens av 50 Pa. k:s varde ges då ekv q cn k = (2.5.3.1) 50 För den dynamiska isoleringen bestäms k:s värde enligt ekv (2.3.2.1) och av det dimensionerande flödet genom isoleringen, q , vid det dimensionerande tryckfallet, £ p .1 beilßningarna har ^Pdiso = 10 Pa valts varforsS:s värde här bestäms av k = ^i§o (2.5.3.2) I de fall yttertaksarean är lika stor som den underlig­ gande dynamiskt isolerade arean, vilket antas gälla här, kan lätt inses att täthetskraven på yttertaket är bun­ det till det dimensionerande flödet genom isoleringen. Med lite eftertanke inses då att samma förhållande gäller även för väggarna. Väggareans storlek anges genom faktorn F i relation till takarean, se ekv 2.5.1 .1 . För att underlätta jämförelser införes därför två storheter. qv50 k = ----- (2.5.3.3) V qdiso och qt 50kt = tbU (2.5.3.4) qdiso Dessa storheter utgör ett dimensionslöst mått på väg­ gars resp yttertakets täthet i relation till det dimen­ sionerande flödet genom isoleringen. I normala praktiska sammanhang väljer man oftast att dimensionera systemkaraktäristiska för kanaler och kanalanslutningar respektive väljer fläktar med fläkt- kurvor sådana att flödet varierar måttligt för rela­ tivt stora tryckändringar. I princip kan sägas att de redovisade beräkningarna bygger på konstanta flödet genom till- och frånlufts- fläktar. Karaktäristiken på fläktkurvan respektive kanalens systemkurva kan väljas sådan att en måttlig tryckänd­ ring ger en märkbar flödesändring. Om t ex formfakto- rerna för till- och frånluftskanalernas in- och utlopp då..har ett stort värde kan ändringarna i flöden genom fläktarna bli betydande vid vindpåkänningar. Detta innebär att vindens störningseffekter på flödet genom den dynamiska isoleringen kan minskas då det ovan nämnda beaktas vid konstruktionsarbetet. Möjlighet att simulera inverkan av olika fläktkurvor och luftkanal- mynningars formfaktorer finns inbyggt i programmet. Innan storleken av klimatpåverkan på flödet genom isoleringen fastställs genomförs en grundbalansering av tryck- och flödessystemet. Rumstrycket kan då väljas till önskat värde. I de redovisade beräkning­ arna har rumstrycket vid grundbalanseringen konsekvent satts till noll. Indata i programmet är: Frånluftens kurva beskriven av fem olika punkter Tilluftens kurva beskriven av fem olika punkter Dimensionerande flöden, Q , och tryckfall, A PdisQ, för isoleringen lso Dimensionerande rumstyrck vid grundbalanseringen 2 Flödet per m genom väggar, q , resp genom ytter­ taket, q^_jQ, vid 50 Pa tryckdYfferens. Exponenterna för isoleringen, b. , väggarna, b , och taket, b^. lso v 2.5.4 Klimatet Klimatets påverkan i luftväxlingsmodellen inskränker sig till temperatur och vindpåverkan. Eftersom inverkan av olika temperaturer i normala fall ej har någon avgörande inverkan på genomsnittliga flöden genom isoleringen behandlas denna inverkan ej närmare i detta avsnitt. Vid de förhållanden som har studerats låg minskningen av flödet genom isoleringen p g a termiska krafter på några få procent. Inverkan av vindens hastighet är den helt dominerande faktorn vilken påverkar genomsnittliga flöden genom den dynamiska isoleringen. Det är relativt svårt att få goda uppgifter om vind- hastigheter. De uppgifter som finns lätt tillgängliga genom t ex klimatdataboken, bygger på bearbetade mät­ värden från olika meterologiska stationer. Mätvärdena är tagna på 10m höjd och utförs av varak- tighetsuppgifter över 10 minuters medelvärden för vind- hastigheter inom vissa hastighetsintervaller. Uppgifter om vindhastigheten vid t ex Bromma flygplats visar att V > 15,5 m/s > 8,8 h/år V > 12,5 m/s 26,3 h/år V > 12,5 m/s 149 h/år V > 6,5 m/s 1130 h/år V > 4,5 m/s 4582 h/år V > 0,5 m/s 8015 h/år Med hjälp av dessa uppgifter har ett varaktighets- diagram konstruerats. Vindhastigheterna har därefter omräknats till att gälla en höjd av 5 m, genom användandet av formeln Z_0'15 V (Z) = V (10) • 10 där V (10) = Vindahstighet på 10 m höjd, m/s V (Z) = Vindhastighet på Z m höjd, m/s Z = Höjdkoordinat, m Varaktighetskurvan har med detta förfarande erhållit formen i fig 2.5.4.1. 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 44 Vindhastighet [m/s] Procent av året [%] Fig. 2.5.4.1 Varaktigheten av vindhastigheten på 5 m höjd vid Bromma flygplats. Med ledning av kurvan i fig 2.5.4.1 har varaktighets- kurvorna i avsnitt 2.6 konstruerats. Vid vindlastberäkningar som syftar till att fastställa vilka pakänningar en byggnad eller delar av denna momentant kan utsätts för kan nästan aldrig hastighetsprofilens minskning under 10 meters höjden beaktas. För beräkningar vid dymamisk isolering är monentana påkänningar, speciellt vad gäller en liten delyta, av litet intresse. Detta motiverar att vind- hastigheter vid lägre höjder än 10 m används för byggnader väsentligt lägre än 10m vid bedömningen av varaktigheten för flödet genom isoleringen. En här mycket intressant vindstatistik vore kvadratiskt vägda medelvärden för längre tidsperioder. Exemplelvis skulle varaktigheten för det kvadratiskt vägda medelvärdet av vindhastigheter varande ett antal veckor, dagar och timmar kunna ge en vägledning om faran för diffusionsfukt. Avsaknaden av sådan statisktik gör att dimensioneringen måste göras med större margi­ nal än om sådan statistik fanns tillgänglig. Vindhastigheten på låga höjder är ytterligt beroende av hur omgivande terräng är utformad. För att utforma ett bra varaktighetsdiagram för låga höjder krävs därför god lokalkännedom. Om byggnaden är tänkt att 45 placeras högst upp på ett berg, vilken även utan dynamisk isolering vore dumt ur energisynpunkt, måste täthetskraven bli därefter. Varaktighetskurvan för vinden, som skall användas för att bedöma varaktig­ heten av flödet genom isoleringen, måste även den bli därefter. Indata i programmet är: Vindhastighet Luftens densitet Luftens temperatur i rummet Luftens temperatur i omgivningen Höjdkoordinaten för luftintaget till den mekaniska ventilationen Höjdkoordinaten för luftsläppet Höjdkoordinaten för väggarnas läckage Höjdkoordinaten för yttertakets läckage Höjdkoordinaten för den dynamiska isoleringen 2.6 Beräkningsresultat Beräkningsresultaten presenteras här i form av luft­ flödets storlek genom den dynamisk isoleringen uttryckt i procent av det dimensionerande flödet genom isole­ ringen. I den högra delen i figurerna ser vi hur flödet minskar vid ökande vindhastigheter och att minskningen sker snabbare vid otätare väggar. Jämförelser mellan de olika figurerna visar att flödesminskningen sker snabbare även vid ökad otäthet i taket ovanför den dynamiska isoleringen. Varaktigheten av flödet genom den dynamiska isoleringen över året, med varaktighet för vinden enligt fig 2.5.4.1, finns inritad för max - resektive min - värdet för redovisade väggtät- heter. Figurerna är baserade på olika tätheter på yttertak, k ,geometriska faktorer, F, och även delvis olika tryckbilder. Dimensionerande tryckfall över isolering är i samtliga beräkningsfall 10 Pa. 46 l k[% ] PROCENT AV 100 - DIM. FLÖDE VINDHAST PROCENTUELL TID AV ARET Fig 2.6.1 47 PROCENT AV DIM. FLÖDE100 - VIND HAST PROCENTUELL TID AV ÅRET Fig 2.6.2 48 PROCENT AV DIM. FLÖDE VINDHAST Kv =22 PROCENTUELL TID AV ARET Fig 2.6.3 49 PROCENT AV DIM. FLÖDE K, ,= 22 VINDHAST [m/s] - 50 - PROCENTUELL TID AV ÅRET Fig 2.6.4 PROCENT AV DIM. FLÖDE100 1 K,, = 22 VIND HAST PROCENTUELL TID AV ÅRET iT[%] Fig 2.6.5 51 PROCENT AV DIM. FLÖDE100 - VINDHAST PROCENTUELL TID AV ÅRET Fig 2.6.6 52 A[%] PROCENT AV DIM. FLÖDE VINDHAST - 50 - PROCENTUELL TID AV ARET Fig 2.6.7 53 PROCENT AV DIM. FLÖDE Kv =22 VINDHAST PROCENTUELL TID AV ARET Fig 2.6.8 54 PROCENT AV DIM. FLÖDE Kv = 22 iH AST PROCENTUELL TID AV ARET Fig 2.6.9 55 A [%] PROCENT AV DIM. FLÖDE INDHAST PROCENTUELL TID AV ARET Fig 2.6.10 56 PROCENT AV DIM. FLÖDE NDHAST SK] PROCENTUELL TID AV ÅRET Fig 2.6.11 57 2.7 Diskussion av de beräknade flödesvariationerna Vid bedömningen av vilka variationer av flödet genom den dynamisk isoleringen som kan tillåtas kommer två olika överväganden att ligga till grund för besluten. Det första övervägandet gäller vilken tid flödet kan tillåtas vara så lågt eller gå i ej önskad riktning att fukt fälls ut i isoleringen. Svaret ges av isoleringens fuktbuffringskapacitet samt hur eventuella tryckfallsskikt är beskaffade. I många fall är buffringskapaciteten åtskilliga dagar varför efterföljande uttorkning i allmänhet kan ske långt innan några problem uppstår. Det andra övervägandet gäller vilken variation som kan tillåtas med tanke på god energiekonomi. Att ventilationen totalt sett minskar behöver normalt ej befaras eftersom luft- flödesminskningen genom den dynamiska isoleringen ersättes av luftläckaget genom andra ytor. En jäm­ förelse med statiskt isolerade byggnader med samma täthet som dynamiskt isolerade ger vid handen att minskningen av flödet genom den dynamiska isoleringen är av samma storleksordning som minskningen av den oavsiktliga ventilationen i den dynamiskt isolerade byggnaden jämfört med den statiskt isolerade. Den nya tekniken ger således även här energimässiga fördelar. Som framgår av det ovan nämnda går det ej att ge några generella svar på tillåten flödesvariation. Vad som står klart är att några större svårigheter för att skapa gott fungerande dynamiskt isolerade byggnader inte torde föreligga. Här förutsättes naturligtvis att det praktiska utförandet förs med god kännedom om tekniken. Hittills har endast fall med icke reglerbara fläkt- flöden behandlats.I vissa speciella tillämpningar kan man t ex tänka sig en varvtalsreglering av tillufts- fläken. Styrningen skulle kunna utgå från tryckfallet över den dynamiska isoleringen.Även direkt klimat- betingad kompensering är tänkbar. Eftersom förfarandet av detta slag kostar och den totala luftomsättningen ofta ökar i förhållande till det dimensionerade torde användandet bli begränsat. De redovisade beräkningarna ger i alla händelser ej anledning att normalt tillgripa denna metod. Att metoderna finns är emellertid en styrka för tekniken. 358 LOKALA FLÖDESVARIATIONER I DYNAMISK ISOLERING När tryckfallets karaktäristiska är lika i alla punk­ ter av den dynamiska isoleringen, vilket förutsätts i detta avsnitt, innebär det i de flesta praktiska fall en viss flödesvariation mellan olika punkter i den dy­ namiska isoleringen. Av flera skäl måste dessa varia— tioner hallas inom rimliga gränser. I detta avsnitt re­ dogörs för faktorer som orsakar variationer och hur storleken av dessa beräknas. Fig 3.1 Schematisk bild av dynamisk isolering. 59 a = spalttjocklek L = spaltens längdkoordinat T = lufttemperatur Z = höjdkoordinat INDEX 0 = omgivning R = rummet S = spalten m = medel 1 = spaltens början 2 = spaltens slut s = statisk d = dynamisk f = friktion 3.1 Inverkan av friktion och dynamiskt tryck Fördelningen över isoleringen behandlas för två olika principer. Den ena är när luften från en cylinderyta med höjden a, radiellt fördelas i en spalt över isole­ ringen. Den andra principen är att först fördela luf­ ten i en riktning med hjälp av kanaler och därefter över isoleringen i en spalt med höjden a som har vin- kelrät riktning mot kanalerna. Inverkan på kanalför­ delningen behandlas ej. För båda typerna av fördelning behandlas laminär, turbulent och blandad strömning. Friktionstryckfallet Apf, kan allmänt skrivas d Pf = f, x P x W2 x i (3.1.1) ah friktionstryckfallet friktionsfaktor luftens densitet luftens hastighet kanalens eller spaltens längd Hydrauliska diametern I en spalt med höjden a och bredden b gäller att d^ = 2 x a då a< £ l 2 3 (Ltot'(L2 Lr 2 • (L2 L1* (3.1.1.2) I SI-systemet är k = 2,05 . 10^ för Luft av 0°C Med det dynamiska trycket enligt ekv (3.1.7) samt L=L_ = L och L =0 kan den statiska tryckskillnaden mellan punkten 1 och 2 i spalten ,<4p .. .L ^ sSf 1-2 enligt ekv (3.1.6) skrivas som 63 Fig 3.1.1.1 3 principiellt olika variationsmöjlig­ heter för A p „j- „ . . ..., . . . ■.sSf x-2 vid ratlmjrg for­ delning och laminär strömning. Då-a. P. q .^iso >1 är PsS£ p_2 positiv, vilket illustre- streras av kurva 1 i fig 3.1.1.1. Det statiska trycket är här högre i början av spalten. kOmvänt förhallande gäller då —------ >1, se kurva 3.a.P.q.^iso I det fall a-P'qiso =1 är dpsSf 1-2 konstant 1 spal­ ten, se kurva 2. Här finns m a o en möjlighet att er­ hålla en absolut jämn fördelning. Den laminära strömningen uppträder ofta endast i slutet av spalten. Eftersom tryckändringen orsakad av denna del många gånger endast utgör en bråkdel av den totala tryckvariationen kan denna del ofta försummas. Om extremt god fördelning i kombination med lågt tryckfall över isoleringen önskas kan renodlad laminär strömning vid rätlinjig fördelning med fördel användas. 64 Turbulent strömning vid rätlirriicr fördelning På liknande sätt som ovan kan friktionstryckfallet och den statiska tryckskillnaden mellan punkterna 1 och 2 för turbulent strömning skrivas som 1 ,Miso. 2 2a ' ~ä 'ä Pf 1-2 fl • 3 - Ltot (L2 - L1 >) (3.1.1.4) (L tot (L2 - Ll> + 1 „ ,q. ,2 A psSf 1-2 =2 • P * L2 . (-Ü 3a (3.1.1.5) 1) LX Fig 3.1.1.2 Den principiella variationen av ^Pssfx-2 vid rätlinjig fördelning och turbulent strömning. Genom derivering av ekv 3.1.1.5 erhålls minimivärdet av c-F L=L = 2§ . Maximal statisk tryck- sox x™ z xi x 2^ skillnad i spalten mellan punkten 1 och 2,Jp __ -, „Soi J. z max föreligger ej alltid mellan ändpunkterna. ^psSf 1 1-2 max kan erhållas genom att beräkna APsSf 1-2 (L) A psSf 1-2 (L ) då L>La enl ekv 2 *(3.1.1.5) Om alternativ 1 och 2 ej har samma tecken är skillna­ den mellan alternativ 1 och 2 lika med Ap ^sSf 1-2 max" I annat fall är det alternativ som har det största ab­ solutbeloppet lika med Ap „^sSf 1-2 max Bland laminär och turbulent strömning vid rätliniig fördelning. ' " ' ~ .. Ofta är strömningen i början av spalten turbulent för att senare övergå till laminär strömning. Övergången antas ske vid ett visst Re-värde, vilket gör det möjligt att beräkna att korresponderande längd­ värde , Lxo För att kunna beräkna den maximala statiska tryckskill­ naden i spalten,4psSf ^ max, beräknas ^PsSf 1-2 (L ) xo enl ekv (3.1.1.3) ^PsSf 1-2 (Lxo> ^PsSf 1-2 > - I • P ' ^ ~ * (3.1.2.3) Beroende på r^-värde, och därmed även x-värde, kommer Ap _ _ att variera. sSr X 2. Det statiska trycket i spalten kommer m a o att varie­ ra som en funktion av radien. Fig 3.1.2.1 Den principiella variationen av,dpsSf som funktion av radien r^. Fig 3.1.2.2 Den principi­ ella variation av ^^sSf som funktion av x Vi söker nu x-värdet, x^, sådant att 'dpsSfl-2 (3.1.2.8) Skillnaden mellan största och minsta värde i alterna­ tiven 1-6 är lika med 21 p -, n . Enda undantagetSiDii J. å max 71 är då alla alternativen har samma tecken. Alternativet som till absolutbeloppet har största värdet är då lika med ~^sSf 1-2 max 3.2 Termiska tryckvariationer i fördelningsspalten Temperaturen i spalten vid koordinaten x, Tgxkan vari­ era beroende på om luften kyls resp värms under sin väg genom spalten. Detta beror i sin tur på klimatet i den omgivning som begränsar spalten. Temperaturen i spalten uttrycks som en funktion av spaltlängden, TSx(Ln>. Temperaturen i mellanrummet Tgm kan då skrivas. S t T = Sm Sn dL - Tx (L2-L1) (T2 - Tx) (L2 - Ll) (3.2.1) Den statistiska tryckskillnaden mellan punkten 1 och 2 beroende på termiska krafter i spalten, Ap c _ . _ , Sd r 16 X Z. kan nu med hjälp av Tgm uttryckas som ^sS,Te 1-2 = -°'04 (T1 - TSm> (Z1 " V (3-2’2) 3.3 Läckage i fördelningsspalten Läckflödet mellan fördelningsspalten och omgivningen kan tecknas enl ekv (2.3.1.3). Till följd av detta läck- flöde kommer hastighetsprofilen i spalten att ändras. Eftersom hastighetsvariationen i spalten är direkt be­ roende för beräkningarna av friktionstryckfallet och därmed det dynamiska och statiska trycket i spalten kommer beräkningarna enl avsnittet 3.1 att behöva komp­ letteras med en komponent orsakad av läckaget. Hastighetsvariationen till följd av läckaget är natur­ ligtvis helt beroende av tryckbilden och läckflödets fördelning. Hastighetsändringen,A w , uttrycks med kännedom om dessa förhållanden som en funktion av spalt­ längden L^. Jw = f (Lx) Denna hastighetsskillnad adderad till hastigheten w i avsnittet 3.1 leder till beräknandet av statisk tryckskillnad orsakad av friktionsförluster och änd­ rat dynamiskt tryck till följd av läckage mellan spal­ ten och omgivningen. Tryckskillnaden kan därmed skrivas som en funktion av w och A w X X ^psSfL l-2=f(wx'4wx) 72 3.4 Tryckvariationer på rumssidan Inverkan på det statiska trycket av rumsluftens hastig­ het wx i punkten x på insidan av isoleringen kan skrivas 1 2 ' CP. Cpx = formfaktorn vid punkten x De termiska krafternas inverkan för samma punkt kan skrivas -0,04 . (T - T„ ) . (Zn - Z )R Sm x '1 x' Den totala statiska tryckvariationen mellan punkt 1 och 2 på rumssidan kan nu skrivas som ^Pc • P • (CpD1 . WD1 *“PüO • °'04 • (TR - TSm> (Z1 - V 3.5 Total flödesvariation Med den inledande förutsättningen att tryckfallskarak- täristiken är lika i alla punkter av den dynamiska iso­ leringen kan flödet i en punkt x skrivas som q. = konstant - /)p. b.^iso x "riso x ISO Med hjälp av avsnitt 3.1, 3.2, 3.3 och 3.4 kan nu för­ hållandet mellan flödet i punkt 1 och 2 beräknas enligt <3 •^iso ^isol CL - ^PsSf 1-2 +^psS,Te 1-2 +^psSfl 1-2 - PsSl - psRl ^PsR 1-2) ^iso 3.6 Beräkningar och diskussion av lokala flödesva- riationer 73 Vid beräkning av friktionstryckfall i luftspalt över dynamisk isolering är omslaget från turbulent till la- minär strömning en osäker faktor.I praktiska sammanhang brukar man räkna med en omslagszon då 2000 ■H -P tn ß -P •H Q) ß tJ> i—I fÔ Q) r—1 TJ 03 P B :0 O 4-I (N O OII 4-1 TJ •H > O1 P ßCDP TJ :0 :0 m r—I m CN i x\ r- o O 4-1 W fö 03 P4 - pQ) Ti•m :0 rß tö 04 03 ro OCr> fö -H Q =2 00 0 oc h f1 -v är de t ha r h ål lit s k on sta nt Vad gäller tryckvariationer orsakade av termisk påver­ kan i fördelningsspalten framgår inte oväntat att dessa helt beror på uppvärmningen respektive avkylningen av luften i spalten samt höjdkoordinaternas utsträckning. Att ange storlekar generellt är alltid vanskligt. Nedan nämnda storlekar bör endast användas för att ge en grov uppfattning av storleksordningar. Med nämnda reserva­ tioner kan för fallet då luften kyls ett max-värde för Tl~TSm sättas till 7°C. För fallet då luften värms ligger max-värdet lätt på det dubbla, vilket i sin tur innebär att<4pgS Te 1-2 max kan variera från -0,2 8 Pa till +0,56 Pa per meter höjdskillnad. Maximalt läckage mellan fördelningsspalt och omgivning, avsnitt 3.3, är av naturliga skäl mycket svårt att upp­ skatta. Ännu svårare blir det när maximalt ogynnsam för­ delning av läckaget skall fastställas. En teknik för att erhålla rimliga värden beskrivs nedan. Den dimen­ sionerande tryckfallet över isoleringen antas råda även mellan spalten och omgivningen. Med F=2 , K =K =5, 3 2 t v ^Jp-, . = 10Pa och q. . =2 m /h m , se fig 2.6.7 i av-^d.iso ^d.iso snitt 2, ger ett läckage från spalten till omgivningen, 3 2q av -3.4 m /h m .Då läckaget ökar pga vindpakänmn- gar'antas flödet genom isoleringen minska i motsvarande grad. Antas vidare läckaget vara jämnt fördelat kan ök­ ningen av den statiska tryckskillnaden beräknas genom att ta skillnaden av erhållna värden i diagr. 3.6.1 med 3 2 3 2ingångsvärdet 2 m /h m' och 5,6 m /h m . Vad gäller den kvarvarande delen av avsnitt 3.4, som behandlar påver­ kan på rumssidan av isoleringen beroende på luftrörel­ ser i rummet, finns ej mycket mer att säga än att maxi­ malt ogynnsamt värde på formfaktorn, om några special­ fall förbises, torde vara 1. D v s att tryckskillnaden ökar med 0,6 Pa för varje m/s rumsluftens rörelser ökar. Än en gång upprepas att storlekarna som nämnts måste behandlas med stor försiktighet. Om någon garanti för en god funktion skall ges bör varje enskilt fall bedöm­ mas var för sig. 76 4. Fukt vid motflödesisolering Som alltid vid byggande måste stor hänsyn tas till fuktfrågor. Fuktproblematiken kan uppdelas i två avdel­ ningar. Den första och vanligaste i byggnader behand­ lade frågeställningen gäller fukt som innifrån byggna­ den söker diffundera ut. Det andra och i byggsammanhang ofta förbisedda femomenet orsakas av att det yttre yt­ skiktet avkyls under daggpunktstemperatur. Orsaker till avkylningen är utstrålning mot rymden och temperatur­ tröghet. Temperaturtrögheten beror oftast på kvarstan- nande snömassor. Uteluftens fuktutfällning sker i regel såväl innanför som utanpå ytterskiktet. 4.1 Diffusionsfukt. Statiskt isolerade ytor fungerar p g a vind tidvis på liknande sätt som dynamiskt isolerade. En skillnad är att luftflödets storlek och riktning varierar okontrol­ lerat vid statisk isolering. Eftersom tekniken med dyna­ misk isolering bygger på att upprätthålla ett kontrolle­ rat flöde genom isoleringen är det ofta praktiskt att låta flödet fördela sig jämnt över ytan vid inträdet till rummet. Detta förutsätter en isolering med jämnt fördelade håligheter som luften kan passera. Angspärr av traditionell modell kan därför inte användas i det­ ta fall. I publikationen (1) och i nästa delarbete av detta BFR-projekt behandlas teorin för fukttransport genom en dynamisk isolering. Det framgår av (1) att relativt små flöden erfordras för att skapa en effektiv diffu- sionsspärr. Vid bedömningen av erforderligt flöde är givetvis var­ aktigheten över året av stort intresse. Av stort intresse för bedömningen av dimensionerande tryckfall över isoleringen är storleken av lokala flödesvaria- tioner. I de flesta fall kan det visa sig nödvändigt att använda sig av ett separat tryckhöj ande skikt, ett s k reglerskikt, speciellt vid låga flöden. Flödet kan då tillåtas sjunka praktiskt taget till noll utan att ångdiffusion mot flödet förekommer. Att på detta sätt hindra fukten från att diffundera ut i isoleringen mot luftflödet, innebär även att eventuell fukt utifrån till isolerigen lättare kan återförångas. Jämför avsnittet nedan. I de fall luften uppsamlas i en spalt innan den tillförs rummet ökar även här i allmänhet luftens hastighet långt över diffusionens hastighet. Förutsatt att de speciella förhållandena vid dynamisk isolering beaktas, kan konstruktioner med dynamisk isolering, som har lämpligt reglerskikt ofta lättare göras säkra mot innifrån kommande fukt än statiskt isolerade konstruktioner. 77 4.2 Uteluftens fukt Som bekant varierar uteluftens fuktighet markant både över dygnet och över året. Periodvis kan, till följd av det negativa strålningsutbytet med rymden, kondens uppstå såväl innanför som utanpå klimathöljets ytter- skikt. Vattentaket är även här mer utsatt än väggarnas ytterytor. Kondensatet kommer i detta fall från ute­ luften. Ytterskiktets temperatursänkning beror bl a på strålningsförhållandena, vilka i sin tur vid klar väderlek beror på mängden koldioxid och vattenånga i atmosfären. Problemet är i viss mån självreglerande. Dels minskar utstrålningen när vatteninnehållet i atmosfären ökar, dels orsakar klar himmel upptorkning genom solupp­ värmning under dagtid.Normalt sjunker vid klara dagar även den relativa fuktigheten kraftigt under dagtid. Genomsnittligt är slutligen sol- och himmelstrålning mot horisontella ytor positiv under årets alla månader. Snö som ligger på yttertaket kan periodvis vara kallare än uteluftens daggpunkt. Under sådana förhållanden kan uteluftens fukt kondensera både i snön och under vatten­ taktets ytskikt. Jämfört med kondenseringen p g a utstrålningen mot rymden, som är dygnsberoende, kan det här röra sig om längre tidsperioder. En ökad luft­ tillförsel, t ex vid ventilation av taket vid statisk isolering, ökar kondenseringsmängderna. Ett effektivt sätt att motverka denna typ av fukt- utfällning är att konstruera taken på sådant sätt att snön lätt kan glida av taket. Dynamisk isolering stimulerar i allmänhet detta, eftersom snön på sådana tak i högre utsträckning smälts underifrån när ute­ luftens temperatur överstiger noll. Vattentaket förut­ sätts då ej vara värmeisolerat. Horisontella ytor är mer utsatta än vertikala, varför dessa problem oftast uppträder i takkonstruktioner. Fenomenet är inte specifikt för dynamisk isolering, utan uppträder i hög grad även vid statisk isolering. Skillnaden är närmast att såväl utfällning som uttorkning kan bli mer accentuerad vid tillämpning av vissa typer av dynamisk isolering. De vägar som kan tillgripas för att bemästra problemet är bl a att - hindra utfällningen - underlätta återförångningen - dränera bort kondensatet - minska luftflödet Vi tänker oss följande tak med dynamisk isolering. Ett tätt ej värmeisolerat vattentaksmaterial, en luft- fördelningssspalt, en mineralullsisolering och ett lämpligt reglerskikt. Att hindra kondenseringen är energimässigt det bästa men i de flesta fall opraktiskt och dyrt. De sparade energimängderna är dessutom små. Statiskt isolerade tak med självdragsventilation tillförs oftast beydligt mer luft och därmed fukt än de dynamiskt isolerade taken. Om vi accepterar kondens under vattentaksytan måste vi se till att kondensatet antingen lätt kan åter­ förångas eller snabbt dräneras bort. Fuktutfällningen sker ju endast under kortare perioder. Ett naturligt sätt är då att binda fukten direkt under vattentaket, så att den inte kan rinna iväg, ansamlas och koncen­ trerat droppa ned i underliggande isolering och där­ igenom eventuellt orsaka problem. Ytan under vatten­ taket kan t ex behandlas till ökad fuktbuffrings- kapacitet eller att rinnande kondensat hindras att från upplag o d rinna ned i isoleringen. Då fukten samlas i direkt anslutning till vattentaket får den lättare värmetillskott från den positiva himmelsstrålningen dagtid och kan på så sätt snabbare torka ut. Ytterligare ett annat sätt är att låta kondensatet direkt droppa ned i isoleringen. Fördelningen måste då vara någorlunda jämn. Vid plana tak kan detta lätt ordnas. Isoleringen och reglerskikt fördelar sedan fukten varefter den i det dynamiska luftflödet åter­ förångas en bit in i isoleringen. Luften som förs in genom isoleringen får en stigande temperatur och därmed en sjunkande relativ fuktighet vilket möjliggör återförångningen. I de fall vindpåkänningen är så kraftig att flödesriktningen genom isoleringen ej kan upprätthållas torde risken för denna typ av kondens vara minimal, se beräkningsdiagram i avsnitt 4.4 nedan. Kraftig vind på ovansidan vattenskiktet ökar nämligen värmeutbytet med luften på ovansidan så kraftigt att daggpunkten ej underskrids. Användning av reglerskikt har flera andra positiva effekter. Dels motverkas effektivt diffusion från rummet, dels motverkas flödesminskningen till följd av klimatpåkänningar speciellt gäller det lokala variationer, dels breder skiktet ut eventuell fukt utifrån över en större yta och möjliggör därmed en god återförångning. I de fall åtgärder att hindra an­ samling av kondensat till vissa punkter skulle miss­ lyckas erhålls på så sätt en extra säkerhet genom reglerskiktet. Vattnet har dessutom mycket svårt att p g a ytspänningen tränga genom avsedda reglerskikt. Vintertid kan kondensutfällningen på undersidan av yttertaket ske i form av frost. Frostbeläggningen i sig utgör en isolering, vilket bidrar till att minska fortsatt utfällning. Dessutom återförångas frostbeläggningar på samma sätt som vattnet under dagperioder. Det gäller här att inte förväxla frost från uteluften med frost från inneluften. Att fördela eventuellt kondensdropp jämnt över isole­ ringen är lättare vid plana tak, medan avledning av 79 kondensatet Sr lättare att utföra vid stora tak­ lutningar. Då kondensatet vid avledningsförfarandet måste rinna på undersidan av vattentaket måste taket, förutom att ha en stor lutning, även var relativt slätt och utan tvärgående kanter som kan utgöra droppanvisningar. Konstruktioner av detta slag är i regel svåra att göra, varför en viss försiktighet med denna typ av lösning rekommenderas. Vintertid kan dessutom problem lätt uppstå med igenfrysning av eventuell dränering. Då problemet med kondensation av fukt från uteluften i regel är större i statiskt isolerade tak, och problem därav ändå visat sig ovanliga, kan väl konstruerade dynamiskt isolerade tak med reglerskikt anses befriade från problemet. Beräkningsmodell för beräkning av kondensmänder under vattentaket 80 4 Till grund för beräkningarna ligger följande ekvationer: Pko “ko P = — • v mv a Ekv 1 : Pko + Pv " Pso = Ekv 2: Pku2 + PsM. Pv = Ekv 3: L kul Fku2 Ekv 4: P. - P. , - Piso kul sm • 4A • (t - t )i o v1 A • (t _ t - )v2 v1 0 = 0 0 • 4A ■ (tv 1 th) Pku2 = “kui ^ " W PSM = “sM'^A • (ti - tp2) (t - t ,) n n + 1 'PL = 3 Pku1 “ kul 4A • (ti - V a ko a, + akwo kdo “kwo 5,8 + 4 * V 0.0152 • Pv1-po då “ , >0 kdo annars 01,kdo kdo kwo “ ku2 “kwu2 + akdu2 "kwu2 J0,09 C * f1 p T då Re < 2300 då Re > 2300 81 -0,237 x = 0,0012 + 0,09 • Re 1 p'' -P _ r\ v 2. rn 01 Kdu2 “ 0,0152t ,-t * akwu2 v2 m då a < 0kdu2 annars a, _ = 0kdo Ku1 K, = 0,05 dyn a = 0,17 tR = 20 „ =5,4a SO -T^ 10 . v1 h Tv1-Th a sM -S t4_t4 = 4,6 • 10 . i v2 T.-T _ l v2 82 fch (Th> 0 o « Himmelens strålningstemperatur fco (To> °c (K) Omgivningens lufttemperatur fcv1 °c (K) Temp, på ovansidan av yttertaket fcv2 (Tv2> °c (K) Temp, på undersidan av yttertaket