Kristina Mjörnell, SP Technical Research Institute of Sweden (Building physics and indoor environment) Jesper Arfvidsson, Lund University (Building physics)
Svein Ruud, SP Technical Research Institute of Sweden (Energy and systems)
Pernilla Johansson, SP Technical Research Institute of Sweden (Building physics and indoor environment) Joakim Norén, SP Technical Research Institute of Sweden (Timber technology)
Lars-Erik Harderup, Lund University (Building physics) Anna Jarnehammar, IVL (Environmental technology)
Abstract
The Swedish building regulation that came in force in July 2006 requires new systems for heating and ventilation of buildings as well as improved design of the building envelope.
When introducing energy efficient systems for heating and ventilation it is important to assure air tight building envelopes and moisture safe building elements in order to maintain a good indoor environment. The overarching aim of the project is to support the timber house industry to develop outlines for the future timber framed houses to meet the requirements on low energy use, low environmental impact, durability, moisture safety and good indoor environment, for example high thermal comfort and good indoor air quality, and aesthetic wooden floors without gaps and lifting. The approach is to gather researchers in the field of timber technology, building physics, indoor and outdoor environment, energy and building services engineering and involve them in the process of design and construction of four different types of timber framed houses, tree one-family houses and one multifamily house. The work is performed in cooperation with a number of companies. Four companies will develop and build pilot houses with technical support from the research group. These houses will be followed up by measurements of environmental impact, energy use, moisture in building elements, air-tightness, indoor air quality, thermal comfort and movements and dilations caused by moisture. In addition, a number of tools will be developed to support the companies in their work. This can be for example calculation tools for heat, moisture and energy or checklists to be used in the design and construction stage.
Introduktion
Trähusbyggandet har en lång tradition i norra Europa. Trä har med gott resultat i århundraden använts i ytterväggar, tak och golv. Men på grund av allt högre krav att minska energianvändningen för uppvärmning av byggnader har byggnadsskalet och ventilationssystemet förändrats drastiskt under de trettio senaste åren.
Åtgärder, som tjockare värmeisolering, nya typer av byggnadsmaterial samt reducerad ventilation eller
modifierad ventilation påverkar byggnaders termiska och hygroskopiska egenskaper. Detta har ibland resulterat i nedbrytning av träkomponenter och fuktskador i byggnader i form av missfärgning, mögelpåväxt och ibland rötskador. Befintlig kunskap om byggnaders termiska och hygroskopiska egenskaper baseras på erfarenheter, simuleringar, mätningar av traditionella byggnader under lång tid men kan tyvärr inte användas rakt av vid utformning av nya sk lågenergibyggnader. Ett antal konstruktioner, som vi vet är fuktkritiska redan i de traditionella byggnaderna kommer att bli ännu mer känsliga i lågenergihusen. Andra viktiga faktorer som påverkar byggnadernas beständighet är att våra levnadsvanor förändras, vilket leder till ökad inomhustemperatur och ökat fukttillskott, vilket i sin tur leder till en ökad belastning på byggnaden. På grund av allt högre
temperaturnivåer inomhus blir den relativa fuktigheten mycket låg under uppvärmningssäsongen vilket kan leda till sprickbildning till följd av att trämaterial krymper. Å andra sidan får fuktproduktionen, till följd av
duschning, matlagning, tvätt etc. stor betydelse i byggnader med låg ventilationsgrad. En hög ånghalt inne ökar risken för fuktproblem i byggnadsskalet.
Övergripande mål
Det övergripande målet i projektet är att stödja bygg- och trähusindustrin inför omställning till kraven i BBR rörande energianvändning och fuktsäkerhet. De nya kraven kommer att kräva användning av nya kombinationer av system i syfte att minska energianvändningen och i viss mån nya konstruktionslösningar för att klara
fuktsäkerheten. I Sverige sker under 2006-2010 en satsning på träbyggande vilket har för avsikt att förnya och öka träbyggandet med nya produkter och tillverkningsmetoder med industriella förtecken. Denna satsning medför mycket ny teknik som behöver utvärderas innan den används i stor skala. Syftet med projektet är att tillsammans med industrin utveckla och utvärdera system och konstruktioner som inte medför några negativa effekter på innemiljön och byggnaders funktion i övrigt. Målgruppen för detta projekt är främst projektörer, byggare och trähustillverkare samt deras underleverantörer.
Projektupplägg
Angreppssättet i projektet är att samordna de goda kompetenser, inom relevanta discipliner, som finns i landet och skapa möjligheten att ta ett helhetsgrepp på trähusbyggandet i Sverige avseende energieffektivitet och innemiljö. Detta skall ske i nära samverkan med deltagande företag i syfte att utveckla hjälpmedel i form av beräkningsverktyg för värme och fukt och energi samt checklistor för det löpande arbetet samt stödja och följa upp fyra trähusbyggnader, ett flerbostadshus och tre småhus. Dessa objekt skall utgöra goda exempel på energieffektiva bostäder med god innemiljö som klarar kraven i de nya svenska byggreglerna.
Figur 1: Projektet består av fem delprojekt med kopplingar till utförande organisationer och samverkansparter.
Projektet består av fem delprojekt. Som i samverkan skapar den helhet som är nödvändig för projektets genomförande. Nedan ges en kort beskrivning av varje delprojekt.
Delprojekt 1 - System för energieffektivitet och bra innemiljö i trähus
Syfte
Syftet med delprojektet är att få ökad kunskap om hur trähus kan göras energieffektivare med bibehållen eller förbättrad innemiljö, inkluderat luftkvalitet. Detta skall undersökas genom att följa upp energianvändning och innemiljö i olika typer av energieffektiva trähus (från BBR-till Passivhusstandard). I projektet kommer lösningar att tas fram för att förbättra befintliga uppvärmnings- och ventilationssystem så att de blir bättre anpassade för användning i välisolerade och täta träkonstruktioner. Man kommer att studera för- och nackdelar med behovsstyrd ventilation och fuktåtervinning i relation till relativa fukthalter och luftkvalitet, utveckla och förbättra system för kontroll och säkerställande av att en korrekt tryckbalans upprätthålls över
byggnadskonstruktionen samt ge anvisningar och vidareutveckla hjälpmedel för tätning och täthetsmätningar.
Metod och genomförande
Delprojektet är indelat i följande tre huvudmoment:
1. Litteraturgenomgång; isolerstandard, täthet, installationer, innemiljö och energieffektivitet för olika typer av trähus fram till idag, ”Från massivhus till passivhus”
2. Simuleringar och fältstudier av hur olika typer av systemlösningar (isoleringsgrad, täthet, värme, ventilation, styr- och reglerteknik) påverkar energianvändning, relativa fuktigheten, termisk komfort och luftkvalitet.
3. Utvärdering, slutsatser samt spridning av resultat
Delprojekt 2 - Fuktsäkerhet i bygg- och bruksskedet
Syfte
Syftet är att undersöka vilka fuktförhållanden, uttorkningstider och uppfuktningstider som trämaterial utsätts för vid lagring, transport och på arbetsplatsen med hänsyn till nederbörd, årstid, antal uppfuktningstillfällen, uttorkningsåtgärder etc. i ett antal typfall. Trä är ett material som är känsligt för påväxt av mögel om det utsätts för fukt. Det kritiska fukttillståndet för trä är ca 75 % men beror även på temperaturnivån och varaktigheten.
Under byggtiden och i den färdiga konstruktionen kommer trä att utsättas för olika långa perioder av
uppfuktning och uttorkning. I delprojektet kommer man att undersöka hur tillväxten av mögel sker i olika klimat (relativa fuktighet och temperatur) med olika varaktighet. Syftet är också att undersöka fuktrelaterade rörelser i virket som uppkommer när trä som utsatts för höga fuktigheter torkar ut samt definiera vad som är acceptabelt fukttillstånd med avseende på såväl mikrobiell tillväxt som formförändringar vid olika uppfuktnings- och uttorkningsförhållanden.
Metod och genomförande
I detta delprojekt kommer verkliga fuktförhållanden att kartläggas. Ett antal pågående byggprojekt besöks och fuktförhållandena dokumenteras. Fuktbelastningen i ett antal väggelement uppmäts från fabrik till färdig byggnad. Klimatet i ett antal provhus kommer att följas på de ställen där det värsta klimatet förväntas i
konstruktionen. Tillväxten av mögel på trä kommer att undersökas i laboratorieförsök. Proverna exponeras först för mögelsvampsporer och placeras därefter i kontrollerade klimat. Dessa kommer att motsvara de som
uppmätts i fält. Det som kommer att studeras är hur eventuell påväxt av mögelsvamp utvecklas under tiden.
Fuktberoende formförändringar hos olika typer av mekaniska förband med tvärkraftsbelastade förbindare kommer att göras i korttidsförsök. För varje typ av förband genomförs tre försöksserier där två serier är uppfuktade till olika fuktkvoter och ett är ett referensprov utan uppfuktning. Dessutom studeras hur utdragshållfasthen hos axialbelastad spik i virke påverkas av en initial uppfuktning.
Resultat
Resultaten från projekten förväntas leda fram till definitioner av vad som är acceptabelt fukttillstånd med avseende på mikrobiell tillväxt och formförändringar vid olika uppfuktnings- och uttorkningsförhållanden.
Rekommendationer för hantering av trä i byggprocessen kommer att formuleras, liksom anvisningar och rekommendationer för fuktsäkerhetsprojektering av byggnadsdelar för träbaserade material.
Delprojekt 3 - Samspelet trä-innemiljö
Syfte
Syftet med projektet är att både beräkna och experimentellt utvärdera effekten av ett antal olika kombinationer av energisparande åtgärder som alla skall möjliggöra en viss styrning av inomhusmiljöns kvalitet avseende relativ luftfuktighet, koldioxid, föroreningar och emissioner etc. Ett sätt att styra inomhusklimatets kvalitet är genom varierande luftomsättning med brukandet som styrande parameter. För träprodukternas funktion i innemiljön är det viktigast att öka den relativa luftfuktigheten inomhus vintertid från extremt låga nivåer kring 10 – 20 % till cirka 30 %. Med träprodukternas funktion avses här t.ex. fuktrelaterade rörelser såsom
svällning/krympning, kupning, spring och sprickbildning etc.
Metod och genomförande
Metoden i projektet bygger på en inledande probleminventering följt av experimentella studier som
huvudsakligen görs i fullskala men även till mindre delar i laboratorium. Probleminventeringen består i att gå igenom och sammanställa tidigare utfört arbete samt att intervjua några aktörer inom branschen t.ex.
trähustillverkare, byggare och materialleverantörer. De fullskaliga experimenten utförs i bebodda
provhus/lägenheter i nära samverkan med deltagande företag. Provhusen kommer att utvecklas, projekteras och byggas huvudsakligen av deltagande företag. Provhusen kommer att instrumenteras med olika typer av sensorer för luftfuktighet, temperatur, koldioxid, fuktrelaterade rörelser etc. Mätningarna i husen kommer att pågå under två år efter inflyttning. Avsikten är att prova olika kombinationer av tekniska lösningar för ventilation och uppvärmning samt dess effekter på inomhusklimatet och träprodukternas respons i provhusen. Målsättningen är att minska variationen i relativ luftfuktighet inomhus under en årscykel. Exempel på tekniska lösningar som skall utvärderas är behovsanpassad ventilation och värmeväxlare för ventilation med fuktåtervinning.
Utvärderingen inriktas huvudsakligen på luftomsättningens och fuktåtervinningens inverkan på relativ luftfuktighet, koldioxid, föroreningar och emissioner. Parallellt med arbetet att minska klimatsvängningarna i provhusen utvecklas och anpassas några träbaserade byggprodukter t.ex. lamellparkett, konstruktionsvirke och träbaserade skivor i syfte att göra dem mer formstabila avseende fuktrelaterade rörelser.
Delprojekt 4 – Byggnadsfysikaliska beräkningsverktyg
Syfte
Syftet med denna del av projektet är att skapa en ”verktygslåda” med användarvänliga verifierade beräkningsverktyg för värme och fukt. Möjligheten att på ett beräkningsmässigt enkelt sätt kunna hantera värme- och fuktförlopp ökar kunskapen om samt förståelsen för dessa processer. Med sådana hjälpmedel ökar möjligheten för att bygga energieffektiva och fuktsäkra hus med god inomhusmiljö.
Metod
Delprojektet omfattar både forskning och utveckling. Mycket av programmeringsarbetet av användargränssnittet är utvecklingsarbete. Matematiska och numeriska modeller för icke linjära värmeledningsberäkningar med hjälp av Kirchoff potentialen samt icke linjära fuktförlopp i anisotropa material såsom trä ligger inom
forskningsdelen. Utvärderingen av ”verktygslådan” kommer att genomföras på ett vetenskapligt sätt och ligger således inom forskningsdelen av projektet.
Genomförande
Projektet genomförs som ett doktorandprojekt som består av följande delar:
1. Genomgång och val av existerande program som ska ingå i ”verktygslådan”.
2. Utveckling av nya beräkningsverktyg. Modeller för att beräkna fukt- och värmetransporten i konstruktioner utvecklas. Utifrån dessa skapas användarvänliga beräkningsprogram för specifika problemställningar (av typen TorkaS).
3. Verifiering av beräkningsverktyg mot mätningar.
4. Test av ”verktygslådan” hos deltagande företag.
5. Utvärdering, slutsatser samt spridning av resultat.
Genomgång av existerande program, samverkan och samråd med övriga delprojekt och deltagande företag samt litteraturgenomgång har påbörjats.
Delprojekt 5 – Miljöbedömning
Att spara energi och bekämpa en förstärkt klimatförändring är två centrala frågor inom EU. Byggsektorn har pekats ut som den bransch som enskilt har störst potential till energieffektiviseringar. EU har därför infört en rad regleringar och direktiv inom området, t.ex. energiprestanda direktivet (2002/91/EC), direktivet för att begränsa påverkan på klimatet SAVE (93/76/EEC) samt direktivet för bränslepannor (92/42/EEC). Målsättningen inom
EU är 20 % förnybar energi, 20 % energieffektivisering och 20 % lägre koldioxidutsläpp fram till 2020 (referens 1, 2, 3). Därför bör även trähus stärka sin position och erbjuda mer energieffektiva lösningar. Syftet med detta delprojekt är att utvärdera miljöprestandan för flervåningshus i trä som klarar kraven som har satts upp i den svenska passivhusstandarden (referens 4) med bland annat krav på en maximal effekt för
uppvärmning på 10 W/m2. Arbetet genomförs i två delar enligt nedan.
1. Erfarenheter från flervåningshus i trä som byggs med passivhustekniken samlas in genom att delta i den pågående byggprocessen i Växjö där fyra flervåningshus i trä ska byggas. Hyresbostäder i Växjö samt HSB är beställare, Martinssons trä är stomleverantör och entreprenör är NCC. Utvecklingsfasen pågår och de sista kravnivåerna vad gäller energiprestandan diskuteras och beslutas snart. En
energiberäkningsmodell för byggnaden läggs upp i programmet DEROB-LTH (referens 5). Modellen kommer att fungera som en bas för att beräkna och utvärdera energi- och miljöprestandan för olika lösningar. Expertis från övriga delprojekt deltar i processen för att kritiskt utvärdera tex. fuktbelastningar, installationer, inomhusmiljö och energi.
2. Genom en jämförande studie där angränsande forskning om passivhus gås igenom, tillsammans med resultaten från detta specifika projekt, ska generaliserbar kunskap tas fram för att specificera och värdera miljöprestandan för flervåningshus i trä med höga krav på låg energianvändning.
Referenser
OJ L 1, 4.1.2003 (2003) Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002 on the energy performance of buildings.
OJ L 237, 22.9.1993 (1993) Council Directive 93/76/EEC of 13 September 1993 to limit carbon dioxide emissions by improving energy efficiency (SAVE).
OJ L 167, 22.6.1992 (1992) Council Directive 92/42/EEC of 21 May 1992 on efficiency requirements for new hot-water boilers fired with liquid or gaseous fuels.
Forum för Energieffektiva byggnader, (2007). Kravspecifikation för passivhus i Sverige – Energieffektiva bostäder version 2007:1
Energy and Built Design, Dept of Construction and Architecture, Lund (2007) DEROB-LTH for MS-Windows.
Computer program. Lund, Sweden.