Inglasning av tegelfasad - Energianalys samt fallstudie på ett flerbostadshus och på Byggnad 22

Abstract

One of Sweden's political objective is to increase energy efficiency. One way to achieve the objective is by making demands on the use of energy after a building has been renovated. Regarding the building's cultural and architectural values there are cases where it is not possible to apply proven methods to meet the demands, and other alternative methods must be sought. Such an alternative method is the double skin façade. The method is applied to a small brick building in the city of Malmö and implies that an external glass façade is added to an already existing façade. The purpose of the double skin façade is to reduce transmission losses through the walls and to get the double skin façade to act as a passive pre-heater of the supply air. The air space in the double skin façade is also meant to be used as a solar air heater to increase the heat storage in the building frame.

Previous studies of the brick building in Malmö has been based on measured data from limited periods. Even though the results varied in size, all the studies confirmed that energy saving occurs regarding the heating of the building. One of the purposes with this thesis has been to compile and evaluate a longer period of measured data from the building. The result of the evaluation supported that energy saving is made regarding to the heating of the building. The transmission losses decreased by 24,1 % and ventilation losses decreased by 26,1 %. Thermal and energy efficiency of the double skin façade were calculated to an average of 0.315 and 0.53 and an effective U-value were calculated on the average to 0.55 W / K, m². A linear relationship was found where a lower outside temperature gave a higher positive difference to the temperature in the double skin façade, during heating periods.

Another purpose of this thesis has been to examine the potential energy saving, regarding to the heating of a building, when an external glass façade is added to an existing brick façade on an apartment building in Sweden. In addition, the thesis was also meant to simultaneously examine how the thermal comfort is affected when a glass façade is added.

No measured data from a real apartment building with a glass façade were found so seventeen models were made in the simulation program IDA ICE 4.7. Four of the models were full-scale apartment buildings and the other thirteen models were geometrical adjusted. All models have been provided with different conditions regarding to ventilation systems, glazing of the balconies, and glazing of the south façade. The adjusted models were also simulated in three different geographical places in Sweden. The result of simulations confirmed previously results, which was that an energy saving is made regarding to the heating of the building. Highest energy saving when the south façade was glazed were 25 % for the full-scale apartment building, and 37 % for the adjusted model. In addition, differences were found on how the different conditions affected the energy savings. A single FTX system installed in the building made a greater energy saving than a single glass façade, and a method with pre-heated supply air through the double-skin façade only gave a marginal increase in energy saving as the heat exchanger efficiency was not fully utilized. No percental differences in energy saving was found when models with different geographical places were compared, however did the energy saving in kilowatt hours increase in the northern parts of the country due to higher initial energy use.

The thermal comfort was mainly affected in the upper parts of the apartment building facing the double skin façade. The affect mainly resulted in disadvantages by increased temperatures during summer periods. In a previous study, it was found that it is possible to reach down to a cooler climate behind the brick facade after an external glass facade was mounted and hence, further cooling measures in a double skin façade should be studied.

Abstract (Swedish)

Ett av Sveriges klimat- och energipolitiska mål avser effektivare energianvändning. Ett sätt att uppnå målet är genom kravställning på energihushållning vid renovering av byggnader. I de fall då det med hänsyn till byggnadens kultur- och arkitektoniska värde inte går att tillämpa beprövade metoder får andra alternativa metoder sökas. En sådan annan alternativ metod är en dubbelskalfasad och innebär att en extern glasfasad tillförs den redan befintliga fasaden. Syftet med dubbelskalfasaden är dels att minska transmissionsförluster genom fasaden, dels att få dubbelskalfasaden att verka som en passiv förvärmare av tilluft åt ventilationssystemet samt dels att använda luftutrymmet i dubbelskalfasaden som ett luftsolfångarsystem för att öka värmelagringen i stommen. Metoden med dubbelskalfasad är tillämpad på en mindre tegelbyggnad i Malmö som benämns som Byggnad 22. Vid tidigare studier över byggnaden har enbart mätdata från korta tidsperioder varit tillgängliga. Resultaten har varierat storleksmässigt, men samtliga studier har påvisat att en energibesparing skett med avseende på byggnadens uppvärmning.

Ett av syftena med detta examensarbete har varit att sammanställa och utvärdera en längre tidsperiod av mätdata från Byggnad 22. Resultatet bekräftade tidigare studiers resultat om att en energibesparing skett med avseende på byggnadens uppvärmning. För transmissions- och ventilationsförluster beräknades energibesparingen till 24,1 % respektive 26,1 %. Temperatur- och energiverkningsgraden för dubbelskalfasaderna beräknades i medeltal till 0,315 respektive 0,53 och ett effektivt U-värde för dubbelskalfasaderna beräknades i medeltal till 0,55 W/K, m². Ett linjärt samband togs fram mellan temperaturen i dubbelskalfasaderna och utomhustemperaturen, där lägre utomhustemperatur gav högre positiv differens till temperaturen i dubbelskalfasaderna.

Ett ytterligare syfte med examensarbetet har varit att undersöka potentiell energibesparing med avseende på uppvärmning då en extern glasfasad tillfördes en befintlig tegelfasad på ett flerbostadshus. Dessutom syftade examensarbetet till att samtidigt undersöka hur termiska komforten påverkades. Då mätdata över ett befintligt flerbostadshus med inglasad tegelfasad inte gick att finna, byggdes sjutton modeller upp i simuleringsprogrammet IDA ICE 4.7. Fyra av modellerna byggdes upp i full skala med ett befintligt frånluftsventilerat flerbostadshus utan glasfasader i Malmö som referensbyggnad. Övriga tretton modeller var geometriskt avgränsade med avsikt att efterlikna en del av ett flerbostadshus, samt geografiskt placerade i Malmö, Sundsvall och Haparanda. Till skillnad från Byggnad 22, valdes enbart att glasa in södra fasaden på modellerna, inklusive balkongerna. Valet gjordes mot bakgrund av att södra fasaden var den långsida på referensbyggnaden som var mest exponerad för solinstrålning. I övrigt hade modellerna skilda förutsättningar med avseende på ventilationssystem, inglasning av balkonger samt inglasning av söderfasaden.

Resultaten från simuleringarna bekräftade att energibesparing med avseende på uppvärmning av byggnaden skedde då en extern glasfasad tillfördes en befintlig tegelfasad. Energibesparingen då södra långsidan av byggnaden glasades in blev som högst 25 % för flerbostadsmodellen och 37 % för den avgränsande modellen i Malmö. Simuleringarna resulterade även i att ett enskilt installerat FTX-system i byggnaden utgjorde en större energibesparing än en inglasad söderfasad och i det fall då ett FTX-system medgavs luftintag via dubbelskalfasaden genererades enbart en marginell extra energibesparing då värmeväxlarens verkningsgrad inte utnyttjades fullt ut. Förändring av modellens geografiska placering resulterade i liknande procentuell energibesparing, vilket för landets nordliga delar innebar en högre besparing av antal kilowattimmar beroende på ett högre initialt uppvärmningsbehov.

Termiska komforten påverkades främst i övre delarna av flerbostadshuset utmed dubbelskalfasaden och medförde främst negativ påverkan genom förhöjd temperatur under sommarperioden. Rummet bakom glasfasaden som påverkades mest negativt i simuleringarna fick sänkt betyg enligt certifieringssystemet Miljöbyggnad eftersom PPD-index ökade. Resultatet visar därmed på att åtgärder för att sänka temperaturen sommartid i dubbelskalfasaden bör vidtas och då det i en tidigare studie över Byggnad 22 visat på att det går att nå ner till ett svalare klimat bakom en tegelfasad efter att en extern glasfasad monterats, bör vidare studier över passiva kylåtgärder i inglasade tegelfasader utföras.

Popular Abstract (Swedish)

Inglasning av tegelfasad

Tilläggsisolering av fasader är en vanligt förekommande renoveringsåtgärd på äldre byggnader då man har för avsikt att minska energianvändningen. Det kan dock vara problematiskt då det skall utföras på byggnader med högt kulturellt värde varpå en alternativ åtgärd istället kan vara att glasa in hela fasaden.

En mindre tegelbyggnad från 1930-talet som fungerade som portvaktsbostad på ett numera nerlagt sjukhus i Malmö, ansågs ha ett högt kultur- och arkitektoniskt värde då byggnaden skulle renoveras år 2008. Detta innebar att det inte var möjligt med tilläggsisolering på utsidan av fasaden och istället glasades östra, västra och södra fasaderna in genom att montera yttre glasfasader på ett avstånd på mellan 600 – 800 mm från byggnaden.

Avsikten med inglasningen var att minska den externt tillförda energin för uppvärmning av byggnaden. Detta skulle ske genom att låta solen värma upp luften mellan fasaderna för att dels minska värmeförlusterna genom tegelfasaderna, dels genom att öka värmelagringen i tegelstommen samt dels genom att låta ventilations-systemet ges möjlighet att använda den uppvärmda luften mellan fasaderna som tilluft.

Studier har tidigare utförts på byggnaden med mätdata över enbart korta tidsperioder. Då det numera finns mätdata över en tidsperiod på närmare tre år, har denna använts som underlag i examensarbetet. Resultaten av både tidigare och nuvarande studier har bekräftat att inglasningen av fasaderna medverkat till att energibesparing skett med avseende på byggnadens uppvärmning. Energibesparingen i nuvarande examensarbete uppgick till drygt 25 % för de inglasade fasaderna, när de jämfördes mot då de var oinglasade.

Utöver fallstudien på den före detta portvakts-bostaden har även sjutton olika modeller simulerats med datorprogrammet IDA ICE 4.7 i examensarbetet. Modellerna var olika versioner med varierande förutsättningar över dels ett fullständigt frånluftsventilerat flerbostadshus utan glasfasader, samt dels över en avgränsad del liknande ett flerbostadshus. Till skillnad från den före detta portvaktsbostaden som studerades i fallstudien, valdes enbart inglasning av den södra fasaden i modellerna, inklusive balkongerna. Detta val gjordes eftersom södra fasaden dels var störst samt dels mest exponerad för solinstrålning.

Högst energibesparing fick modellerna som hade både inglasade balkonger och inglasad söder-fasad, samt ett installerat FTX-system som gavs möjlighet att ta tilluft via den inglasade fasaden. För den fullständiga flerbostadsmodellen uppgick högsta energibesparingen med avseende på upp-värmning av byggnaden till 25 %, medan för den avgränsande modellen med samma typ av utformning uppgick energibesparingen till 37 %. Skillnaden mellan de olika modellernas resultat beror främst på att det relativa förhållandet mellan areorna på de inglasade fasaderna och golvytorna inte var lika.

Möjligheten med att ta tilluft via den inglasade fasaden visade sig vara mindre fördelaktig för ett FTX-system då dess verkningsgrad inte kom helt till sin fulla rätt. Dessutom visade det sig att om ett enskilt FTX-system installerades i byggnaden utgjorde den en större energibesparing än vad själva glasfasaden gjorde.

I datorsimuleringarna jämfördes även de avgränsande modellerna då de placerades geografiskt i städerna Malmö, Sundsvall och Haparanda. Metoden med inglasade tegelfasader uppvisade en liknande procentuell energi-besparing oavsett vilken av de tre orterna som studerades. För modellerna i norra Sverige innebar det dock en större besparing av antalet kilowattimmar då det initiala energibehovet där var högre.

Termisk komfort studerades också för flerbostadsmodellen med den inglasade tegelfasaden. Resultatet blev förhöjda temperaturer under främst sommarperioder, med en sämre upplevd termisk komfort i främst de övre delarna av byggnaden bakom glasfasaden. Resultatet visar därmed också på att det är viktigt att beakta någon form av aktiv eller passiv kylåtgärd i inglasade tegelfasader för att minska andelen missnöjda personer som befinner sig i byggnaden. Kylåtgärder har dock inte studerats i detta examensarbete, utan får utföras i framtida forskning.

• author: Avgenakis, Giannis
• supervisor: Birgitta Nordquist; Petter Wallentén
• organization: Division of Building Physics
• course: VBF820 20161
• year: 2017
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: inglasning, förvärmning, renovering, ventilation, flerbostadshus
• report number: TVIT--17/5059
• language: Swedish
• additional info: Examinator: Birgitta Nordquist
• id: 8904570
• date added to LUP: 2017-04-24 13:15:19
• date last changed: 2017-04-24 13:15:19