Hybrid ventilasjon: En klimatiseringsløsning for fremtiden?

Gjennom FoU-prosjektet Grønn VVS er det vist at VVS-installasjoner kan stå for 20-40 % av materialrelaterte utslipp i byggeprosjekter, og at klimatiseringsløsninger utgjør 70-85 % av dette. 

Er tiden inne for å revurdere hvordan vi klimatiserer våre bygg? Kan mindre være mer?

Et samarbeid mellom to forskningsmiljøer

Forskningsprosjektet Hybridene – Optimal hybrid ventilasjon i fremtidens bygg har som hypotese at hybride ventilasjonskonsepter, som kombinerer fordeler fra naturlig og mekanisk ventilasjon, er godt egnet for å kunne oppnå et markedsgjennombrudd i norske bygg. Målet er å oppnå et godt innemiljø med lavere energibruk og materialbehov, samt høyere robusthet og arkitektonisk kvalitet, sammenlignet med tradisjonelle mekaniske løsninger. 

I samarbeid med Grønn VVS er det utført et omfattende arbeid for vurdering og sammenligning av klimatiseringsløsninger. Denne artikkelen bygger videre på tidligere utgitt artikkel Klimatisering for klimaets skyld?, som sammenlignet klimagassbelastning for ulike mekaniske ventilasjonsløsninger, mens her dreies fokuset mot hybride ventilasjonsløsninger og deres karbonavtrykk.

Tilstreber en helhetlig tilnærming

Hypotesen i prosjektet er at valg av klimatiseringsløsning har stor betydning for klimagassutslipp, både fra materialer og drift. Og for å belyse dette er forskjellige løsninger for klimatisering studert ved å prosjektere dem som i et vanlig byggeprosjekt. Det er utarbeidet typiske plan for skole og kontor, for å danne basis for å beregne klimagassutslipp fra material- og energibruk, samt analysere oppnådd inneklima. 

BIM-modellene ble etablert i Revit og simuleringer foretatt i IDA ICE. Systemgrensene for modelleringen inkluderer alle installasjoner knyttet til varme-, kjøle- og luftbehandling lokalt i etasjer. I rapporten dekkes både skole og kontorbygg, men i denne artikkelen har vi valgt å fokusere på kontorbygg.

Mekaniske og hybride klimatiseringsløsninger

I arbeidene er det utviklet og studert fem mekaniske typologier (inkludert en nedskalert/trimmet løsning), to hybride typologier samt en ren naturlig ventilasjonstypologi. I denne artikkelen sammenlignes hybride ventilasjonsløsninger (H1 og H2) mot en konvensjonell mekanisk (MEK1) og en trimmet (TF) mekanisk ventilasjonsløsning i et kontorbygg.

• MEK1: Konvensjonell klimatisering, med 2-rørs kjølebafler til kjøling og radiatorer under vinduer. En historisk mye brukt løsning, som benyttes som sammenligningsgrunnlag. Løsningen vises i figur 1.
• TF: Trimmet fortrengning, med sentralt plasserte fortrengningsventiler, forenklet behovsstyring, lavtemperert gulvvarme og høytemperert gulvsvale. Løsningen vises i figur 2.
• H1: Hybridventilasjon Alt. 1, med nedskalerte, konstante luftmengder og sentralt plasserte fortreningsventiler. Oppvarming via radiatorer under vinduer og mekanisk kjøling kun via ventilasjonsluft. I tillegg kommer her motorisert vinduslufting ved behov (hovedsakelig sommerhalvår). Løsningen vises i figur 3.

• H2: Hybridventilasjon Alt. 2, med identisk ventilasjonsløsning som Alt. 1 (inkludert motorisert vinduslufting), men med lavtemperert gulvvarme og høytemperert gulvsvale. Løsningen vises i figur 4.

En sentral forutsetning for å oppnå tilfredsstillende lokal termisk komfort ved hybride ventilasjonsløsninger, er at de dimensjoneres med mekanisk basisventilasjon for å holde behovet for vinduslufting på et minimum i kalde vintermåneder.

Det er sannsynlig gitt de riktige forutsetninger at det finnes alternative løsninger med en større naturlig komponent som fungerer bra, eksempelvis løsningene i Nydalen Vertikal. Men denne prosjekteringsmåten er vår utgangshypotese for hvilke løsninger for hybrid ventilasjon som kan få bredt markedsgjennombrudd i Norge, dvs. at de har en god mulighet for å få aksept fra både myndigheter, byggherrer og brukere.

Godt inneklima er en forutsetning

For at klimatiseringsløsninger skal være sammenlignbare med tanke på klimagassutslipp, må det forutsettes at alle alternativer har tilfredsstillende inneklima, som tross alt er hovedformålet med installasjonene. 

Omfattende simuleringer er derfor utført i verktøyet IDA ICE 5.0. Resultater er vurdert opp mot kriterier i NS-EN 16798-1 Bygningers energiytelse - Del 1: Inneklimaparametere for dimensjonering og vurdering av bygningers energiytelse inkludert inneluftkvalitet, termisk miljø, belysning og akustikk. Her deles innemiljøkvalitet inn i fire kategorier / forventningsnivåer; I (Høyt), II (Middels), III (Moderat) og IV (Lavt). Resultatene viser at mekaniske alternativer oppnår adaptiv termisk komfort innenfor kategori II (normalt nivå) hele året. 

Hybride alternativer ligger innenfor kategori II sommer- og vintersesongen, mens de i overgangsperioder vår og høst havner innenfor kategori III (moderat nivå) deler av tiden. Dette indikerer et behov for fokus på optimalisering av styrestrategier i overgangsperioder mellom vinter og sommer, noe forskningsprosjektet ikke har dykket videre ned i. Praksis i bransjen (blant annet Nydalen Vertikal) har vist at pulsventilering via vinduer oppleves mer akseptabelt enn modulering, men dette er vanskelig å verifisere via simuleringer.

Atmosfærisk inneklima er undersøkt med tanke på CO2-nivå, og resultatene viser at alle alternativer er tilfredsstillende med nivåer under 1000 ppm gjennom hele driftstiden.

Kan brukere akseptere pollen?

Pollen er en utfordring som hittil ikke er håndtert, og som i praksis kan vise seg å være et betydelig hinder for aksept av hybride løsninger. Det foreligger ikke et krav om å filtrere luft som kommer direkte gjennom luker eller vinduer, eller et krav om at det ikke skal være pollen innendørs. Men det er klart at pollen vil kunne være sjenerende for de som har pollen allergi. 

Foreløpige resultater fra Nydalen Vertikal, som ikke ennå er publisert, indikerer at de som har allergi merker pollen innendørs, men at de fortsatt gir gode tilbakemeldinger på inneklima. Vi tror det er lurt å være litt forsiktige mht. pollen, men at det bør ikke anses som en stopper for hybride løsninger.

Lavere energibruk med hybrid ventilasjon

Figur 5 viser resulterende netto energibehov for klimatiseringsløsningene i kontorbygget, med bakgrunn i internlaster fra NSPEK. En ser at hybride alternativer ligger ca. 40-45% lavere enn MEK1, og ca. 20-30 % lavere enn TF. Romoppvarming er noe lavere i H1 og H2 enn mekaniske alternativer, grunnet lavere luftmengder med undertemperatur som må varmes opp. Ventilasjonskjøling og viftedrift ligger lavere ved hybridventilasjon grunnet bidrag fra vinduslufting, som reduserer luftmengdebehov fra mekanisk anlegg. H2 kommer totalt sett noe bedre ut enn H1. Dette skyldes lavere behov for ventilasjonskjøling og viftedrift ved bruk av løsning med gulvvarme/-svale, fremfor radiatorer.

Vesentlig mindre materialbruk med nedskalerte og hybride løsninger

Materialrelaterte utslipp er vesentlig høyere i de mekaniske alternativene, sammenlignet med hybride løsninger og trimmet fortrengning (Figur 6). Dette skyldes primært at vekten av kanaler og luftfordelings- og behandlingsutstyr i de hybride løsningene er ca. 40 % lavere enn de tradisjonelle omrøringsbaserte mekaniske løsningene. Redusert vekt i komponenter og systemer er en viktig indikator på reduserte bundne utslipp, spesielt der metaller inngår som den primære innsatsfaktoren.

Figuren viser at det er god korrelasjon mellom vekt og klimagassutslipp, noe som indikerer at, så lenge en har sammenlignbare anlegg, kan formelen benyttes for å anslå klimagassutslippet.

Sammenhengen mellom luftmengde og utslipp fra materialer tilknyttet ventilasjon fremgår av Figur 7. Regresjonslinje her viser en klar lineær tendens, som kan være nyttig å bruke i tidligfase prosjektering av klimatiseringsanlegg. For hver redusert kubikkmeter luft per time reduseres samtidig utslippene med ca. 2,5 kg CO2-ekvivalenter knyttet til materialbruk

God styring er avgjørende

For å lykkes med hybridventilasjon, hvor automatisk vinduslufting skal fungere sammen med mekanisk basisventilasjon, er det avgjørende å ha et gjennomarbeidet og fleksibelt styringssystem. Leverandører av naturlige ventilasjonsløsninger har ofte ferdige løsninger for dette, men for å få simulert energi og inneklima, er det via forskningsprosjektene Grønn VVS og Hybridene utviklet løsninger for simulering av styringer, hvor det hybride ventilasjons-kontrollsystemet fungerer ved å prioritere mekanisk ventilasjon, som har forrang fremfor åpning av vinduer.

I våre simuleringer er det forutsatt at det luftes konstant når det er behov for det, mens det i praksis har vist seg at brukere synes å foretrekke at lukene stenges i perioder, og at det pulseres hver 30-60 minutter avhengig av behovet. Dette synes å være viktig for opplevd komfort, særlig vinterstid, men har ikke vært mulig å hensynta i våre simuleringer grunnet begrensninger i avsatt tid.

Unngå suboptimalisering

Resultatene indikerer at mindre installasjoner har lavere klimagassutslipp og energibehov. Valg av energikilde er kritisk for å redusere utslipp. Klimagassutslipp bør vurderes helhetlig, inkludert alle livsløpsfaser og energibruk i drift. Det å redusere bundne utslipp slik at det øker energibehovet eller gjør anlegget sårbart mht. tilpasningsdyktighet, kan føre til suboptimalisering eller problemflytting, hvor samlede utslipp øker selv om en reduserer deler av livsløpsutslippene.

Hybride løsninger kan være et viktig bidrag til fremtidens klimatiseringsløsninger

Vår forskning på hybride ventilasjonsløsninger representerer et viktig skritt mot mer bærekraftige bygg. Studien viser at hybride ventilasjonsløsninger kan bidra til vesentlig lavere klimagassutslipp og energibruk, samtidig som de leverer et tilfredsstillende inneklima. Videre viser resultatene at det er viktig å vurdere både materialbruk og energiforsyning for å oppnå optimale resultater.

Det er også viktig å påpeke at hybride ventilasjonsløsninger ikke egner seg overalt. Lokale forhold rundt utvendig støy, forurensninger og pollen må vurderes i hvert enkelt tilfelle. Det er også vesentlig med tidligfase involvering av ventilasjonsrådgiver, egnet entrepriseform, og ikke minst, at byggherre gis et balansert beslutningsgrunnlag i forkant valg. Dette er utdypet i egen rapport, publisert på prosjektets hjemmeside.

Livsløpsanalyser av klimatekniske anlegg er et ungt ingeniørfelt, og det er mangel på verifiserte miljømessige underlagsdata til beregningene. Det er derfor sannsynlig at både beregningsmetoder og underliggende data vil utvikle seg raskt i løpet av de kommende årene. Dette bør hensyntas ved vurdering av de resultater som rapporteres her.