Naturlig klimatisering av kontorbygg

De fleste moderne kontorbygg har omfattende tekniske klimatiseringsinstallasjoner. Ofte er anleggene for ventilasjon, oppvarming og kjøling betydelig overdimensjonert for å ha mulighet til å takle fremtidige endringer i bruk. Strenge krav til fleksibilitet, som at man hvor som helst i en kontoretasje skal kunne endre planen fra kontorlandskap til cellekontorer, gjør at man ofte har et teknisk grid med inndelinger på for eksempel 3x3 meter.Det betyr at hver sone på 3x3 meter har varme, kjøling og ventilasjon som styres individuelt, med et stort antall motoriserte spjeld og ventiler som skal styres av lokale sensorer, og som også må styres sentralt fra et toppsystem (SD-anlegg). Et slikt komplekst system krever nøyaktig prosjektering og utførelse, nøye oppfølging ved overtagelse og profesjonell drifting. Erfaringsmessig er det ofte driftsmessige problemer med slike anlegg, og energibruken blir høyere enn forventet. Mange av komponentene i et slikt anlegg krever mye driftsoppfølging og vedlikehold, og må ofte skiftes ut etter 5-15 år. 

Mekanisk vs. naturlig

Antitesen til mekanisk klimatisering er naturlig klimatisering, hvor bygget i stor grad ventileres, oppvarmes og kjøles med passive tiltak. Naturlig ventilasjon og passiv kjøling for å ventilere og temperere bygg uten installasjoner, er gamle teknikker som også har blitt brukt i moderne bygg på 70-, 80- og 90-tallet. Det som er nytt de siste årene er at man kombinerer dette med passiv oppvarming, som baserer seg på at internvarme og solvarme varmer opp bygget helt eller i stor grad. Bygningen 2226 i Lustenau i Østerrike, tegnet av Baumschlager & Eberle, er det mest kjente eksemplet.¹ Kombinasjonen av kun naturlig ventilasjon og passiv oppvarming er imidlertid en stor utfordring, og krever at man ser på inneklima på en ny og alternativ måte, og samtidig setter ekstreme krav til utforming av bygget. Slike alternative og strenge krav har selvsagt en ”kostnad”, både når det gjelder hvordan bygget kan utformes, hvordan det kan brukes og fleksibiliteten ved endret bruk. Ønsker man å utvide begrepet ”naturlig klimatisering”, kan dette også omfatte dagslys og solskjerming. I teorien vil det i noen klima være mulig å basere seg kun på dagslys i vanlige brukstider for et kontorbygg, og dermed være mulig å klare seg nesten uten energibruk til kunstig belysning. Når det gjelder solskjerming er det også mulig å klare seg med kun passiv og bygningsintegrert solskjerming, uten bevegelige deler. 

Alternative krav til inneklima

Norge har trolig noen av verdens strengeste krav til inneklima og luftmengder. For eksempel er det i norske kontorbygg vanlig å tilføre omtrent dobbelt så stor luftmengde som i svenske kontorbygg, selv om Sverige internasjonalt er kjent for å ha strenge inneklimakrav. Skulle slike krav til luftmengder følges i et naturlig ventilert bygg, ville det føre til et enormt oppvarmingsbehov, samt store problemer med trekk om vinteren. Skal man ventilere naturlig, må luftmengdene derfor reduseres kraftig i kalde perioder av året, men kan økes etter hvert som utetemperaturen blir høyere, og om sommeren kan man tilføre til dels høye luftmengder.

“Ofte vil en forenkling av klimatiseringssystemet bli en kombinasjon av aktive tiltak og passive tiltak.”

Dermed unngår man et stort oppvarmingsbehov, og trekkproblemene er lettere å løse. Spørsmålet er om de lave luftmengdene om vinteren vil føre til dårlig luftkvalitet. Ifølge forskning fra blant annet Danmarks Tekniske Universitet er opplevd luftkvalitet meget god selv med så lave luftmengder som 4 l/s per person, hvis innetemperaturen holdes ned mot 20°C og luften ikke har høy fuktighet (se referanseliste nr. 1-4). Dette er enkelt å oppnå i kalde perioder (under ca. -10 °C). Samtidig viser studier at relativ fuktighet under 15 prosent om vinteren bør unngås (se referanseliste nr. 5-9). Dette oppnås også best ved å holde luftmengdene på et moderat nivå, samtidig med at innetemperaturen holdes ned mot 20°C. Forutsetningen for å tilføre så lave luftmengder som 4 l/s per person er at avgassingen fra materialer er lave, det vil si at det kun må brukes materialer med neglisjerbar avgassing. Ved å kontrollere luftmengdene ut fra CO2 og temperatur, som nå er vanlig både med naturlig og mekanisk ventilasjon, vil man kunne ha settpunkt for CO2 og innetemperatur som en funksjon av utetemperaturen, som vist i figuren på s.88. En slik styring av ventilasjonen vil føre til en årstidstilpasset luftmengde. 

Hvordan forenkle

Den første intuitive løsningen for å forenkle klimatiseringssystemet er å gå fra aktive løsninger med bevegelige deler til helt passive løsninger uten bevegelige deler. Et velkjent og velbrukt eksempel er en velisolert bygningskropp som kan redusere behovet for, eller i enkelte tilfeller eliminere, et konvensjonelt aktivt varmeanlegg (eksempelvis radiatorer). Men i de fleste tilfeller er det ikke så enkelt. Ved å bruke naturlig ventilasjon vil varmetapet normalt øke, og man må ha et større (aktivt) varmeanlegg. Ofte vil en forenkling av klimatiseringssystemet bli en eller annen kombinasjon av aktive tiltak og passive tiltak som bør optimaliseres mest mulig. Noen mulige konsepter for forenkling av klimatiseringssystemene er: 

1. Balansert ventilasjon som dekker både oppvarming og kjøling i tillegg til lufttilførsel. Miljøbygget til GK i Oslo er et eksempel på dette. Intelligente tallerkenventiler tilfører både luft, luftbåren kjøling og oppvarming. Det nye er at man har fjernet alle radiatorer. Det er imidlertid mulighet for individuell temperaturregulering via små lokale elektriske elementer.   
2. Balansert lavtrykktapsventilasjon som dekker både lufttilførsel og all kjøling, supplert med forenklet varmeanlegg. Powerhouse Kjørbo i Sandvika er et eksempel på dette. Luft tilføres som fortrengningsventilasjon sentralt i hver etasje, og har kun ca. en fjerdedel av kanalene til et vanlig kontorbygg. Oppvarming skjer med sentralt plasserte radiatorer langs kjernen av hver kontoretasje.   
3. Hybridventilerte bygg som baserer seg på nedskalert og forenklet balansert ventilasjon som suppleres med automatisk styrte vinduer. Mesterfjellet skole i Larvik og Powerhouse Brattørkaia i Trondheim er eksempler på dette konseptet. Ved å bruke naturlig ventilasjon i sommerhalvåret kan balansert ventilasjon dimensjoneres betydelig ned.   
4. Balansert lavtrykktapsventilasjon som dekker både lufttilførsel og kjøling, og hvor ventilasjonsanlegget også brukes som nattoppvarming om vinteren. Dette konseptet er planlagt brukt på Powerhouse Montessori som er en ungdomsskole under prosjektering i Drøbak. Dette er et konsept som kombinerer fordelene med konsept 1. og 2. Kan suppleres med manuelt styrte vinduer som tar topplast for kjøling og ventilasjon om sommeren.   
5. Ren naturlig ventilasjon gjennom automatiserte vindusluker, hvor oppvarming og kjøling tas med lavtemperaturoppvarming og høytemperaturkjøling, som igjen gir et system med veldig høye årsvarmefaktorer og årskjølefaktorer (Seasonal Coefficient of Performance/SCOP). Eksempel på dette er prosjektet Gullhaug torg 2 som Avantor planlegger i Nydalen. 
6. Full naturlig ventilasjon og kun passiv kjøling, der all oppvarming er dekket av tilskudd fra internlaster og solvarme. Mye termisk masse er en forutsetning for dette konseptet. Baumschlager & Eberles 2226 er et eksempel på et slikt fullt naturlig klimatisert bygg.

Konsept 1 lener seg mest på mekanisk klimatisering og aktive løsninger, og konsept 6 lener seg mest på ren naturlig klimatisering. Hvilket konsept man velger, og hvor langt man ønsker å gå, er avhengig av byggherrens ønsker, klimatiske forhold på stedet, støy og forurensning, brukernes preferanser, økonomi, og forventede endringer i bruk. Det er selvsagt også mulig å kombinere de ulike løsningene og konseptene.

Fra hardware til software  

En nødvendig og sannsynlig utvikling er at vi fremover vil se mindre ”hardware”, det vil si færre spjeld, ventiler, kanaler, rør, radiatorer, kjølebaffler, kjølemaskiner og lignende i byggene. 

“En nødvendig og sannsynlig utvikling er at vi fremover vil se mindre “hardware”.”

Men kravet til godt inneklima, samtidig som energibruken skal være meget lav, fordrer likevel en nøyaktig styring av pådrag av ventilasjon, kjøling og oppvarming (passivt eller aktivt) tilpasset tilfeldige variasjoner inne og ute (temperatur, CO2, fuktighet, vind, vindretning, sol o.l.). Samtidig må man ha størst mulig grad av brukerpåvirking, for eksempel at man lokalt skal kunne åpne vinduer og/eller øke/senke temperaturen. Samlet gir dette kompliserte fysiske prosesser som trenger avanserte simuleringer i prosjekteringsfasen, og utvendige og innvendige sensorer som sender kontinuerlig informasjon til lokale og/eller sentrale datamaskiner som styrer pådragene.  

Fremover vil vi også se at simuleringer utført i prosjekteringsfasen vil bli brukt i programmering av styringssystemene i bygget. Det vil stille nye krav til nøyaktig og realistisk simulering av byggene, og trolig også til sanntids-simulering som brukes direkte til styring av de klimatekniske løsningene (aktive og passive). Særlig vil dette gjelde systemer med stor treghet, som er vanlige i naturlig klimatiserte bygg. 

Vi vil se økt bruk av avanserte luftstrømnings- og termiske simuleringsverktøy, samt CFD-simulering.² Per i dag er det i Norge kun noen få miljøer som kan utføre slike simuleringer på en tilstrekkelig god måte.  

Oppsummert kan vi si at smart forenkling krever høy kompetanse.