Innhold
Elektronisk måling av dynamisk U-verdi
Prosjektets gjennomgang fra A til Å
Foto: Fredrikstad Blad erik.hagen@f-b.no
Forord
Under denne fanen «Prosjektrapport» så vil vi beskrive prosessen med hovedprosjektet. Vi vil ta for oss montering, idriftsettelse, møter, drøfting av tallene vi mottar, drøfte problemstillinger slik vi ser det, og ta for oss hva vi ser vi kan bruke et slikt system til i framtiden. Det viktigste med utformingen av hovedprosjektet på nettsiden, er at leseren kan bla i forskjellige kategorier. Vi har en kategori med informasjon, her har vi prøvd å tilføre relevant informasjon for at leseren kan forstå begrepene i rapporten, og sette seg inn i hvilket materiell vi har valgt å bruke. Man kan lese om protokoller og programmering . Vi også kodet et Javaprogram slik at leseren selv kan prøve å jobbe seg frem til en U-verdi basert på dataen fra PLS’en.
Vi tar for oss Nor Linesbygget på Øra i Fredrikstad kommune. Norsk Treteknisk institutt (NTI) har blitt innleid av byggeier, Borg Havn IKS, for å bistå som rådgivere. De skal vurdere om massiv trekonstruksjon kan bidra til et bedre innemiljø, og om den hygrotermiske evnen til treverket hjelper på U-verdien i materialet. Til slutt om massivtre sammen med den hygrotermiske evnen til treet vil gjøre at innetemperaturen kan senkes uten at det vil medføre en forringing på innemiljøet. NTI har igjen leid inn Storm Elektro for å montere sensorer og levere et automatikksystem som kan logge måleverdier og formidle rådata til NTI.
Vår hovedprosjektoppgave er å jobbe på siden av dette og skrive om prosessen, legge fram våre egne data og konklusjoner. Vi har som prosjekt ingenting med selve jobben å gjøre og rapporten må sees på som en tilleggsfunksjon. Vi vil ikke gå i detalj på samme måte som NTI gjør i deres rapport til kunden.
Installasjon
Tekniske installasjoner og monteringer er utført av Storm Elektro etter spesifikasjoner fra NTI og installasjonsspesifikasjon fra Hukseflux’ manual. Før installasjonsarbeidet ble startet var det en gjennomgang av hvilke data NTI ønsket å logge. Det ble også gjennomført en befaring der de kom fram til plassering av følere.
NTI har spesifikke krav til plassering av sensorene. Derfor kan leseren se på bildene at det er alltid dobbelt sett montert. Det ene settet er montert åpent og det vil si at det er montert rett på treverket. Det andre settet er montert lukket, det vil si at det er skilt fra treverket med en plastplate, Det er laget en simuleringsvideo som viser en prinsippskisse på hvordan følerene er montert.
Animasjon på oppsett av flux målere. (Illustrasjon: Eirik Flister)
På grunn av de store avstandene i bygget ble det brukt 2 PLS'er, PLS1 er plassert ved rom 1006 og 1010, PLS2 er plassert i motsatt ende av bygget i nærheten av rom 1054. Alle følerne ble kablet direkte til sin respektive PLS. Pls 1 logger også energiforbruk, det er derfor kablet opp et MBUS anlegg der det er tilkoblet strøm og vannmålere.
PLS’ene kommuniserer via TCP/IP nettverk. Det lå et ledig fiberpar mellom de rommene der PLS'ene var plassert, så det ble kablet CAT6 til disse uttakene og så ble fiberen brukt som kommunikasjonsmedium. Det ble valgt et 4G modem til kommunikasjon ut mot internett. Det gjør at dette anlegget er helt fysisk skilt fra de andre nettverkene i bygget.
Instruksjons og monterings video for flux sensorer oppsett (video: GreenTeg)
Måleinstrumenter
Det måles fuktighet, temperatur, CO2 og energiforbruk. Energiforbruket måles med lokale energimålere som er koblet sammen i en MBUS, MBUS’en er tilkoblet PLS'en. De andre målerene er direkte tilkoblet PLS'en og dataene blir logget hvert minutt. Fluksmålingen blir gjort gjennom to Huksefluxsensorer som er plasser på hver sin side av en vegg. De er tilkoblet PLS'en som omformer signalet fra sensorene, logger rådataene og prosesserer verdiene slik at de kan vises frem på en HMI skjerm og hentes av NTI.
Alle målingene blir lagret på begge PLS'ene. PLS’en logger sin lokale måledata og henter måledata fra den andre PLS'en, dette gjør at det er mindre risiko for at dataen blir tapt.
Det måles og logges temperaturer og fukt i kontorene og utvendig for å se om det er noe sammenheng i mellom den dynamiske U-verdien og klimaet på hver sin side av veggen. Disse dataene sammen med fluksverdien vil danne grunnlaget for grafer som lar oss se trender og hvordan dette påvirker hverandre.
Målemetodikk
Ved fremskaffelsen av de elektronisk målte U-verdiene, er det montert et sett varmeplatesensorer levert av Hukseflux, av typen Heat flux plate HFP01, på en bestemt del av ytterveggens overflate. Sensorene er montert på hver side av veggen, både inne og ute og når sensorene tilføres strøm, vil varmestrømmen gjennom veggen måles. Sensorene er koblet opp mot en PLS som mottar måleverdiene i milliVolt(mV) og ved å addere signalet med korreksjonsfaktoren gir dette fluksverdien. Hver sensor er påstemplet egen korreksjonsfaktor. (Se formel 2.0.). I alt er det montert 2 stk automatikkskap(PLS`er), henholdsvis tavle =563.01 og =563.02.
I PLS`ene er det programmert inn en matematisk formel (se formel 1.1.5, 2.1 og 3.3) for U-verdi og PLS’en vil da beregne mottatt data fra sensorene på temperaturdifferansen mellom ute og inne og gi oss U-verdien på flaten til den respektive veggen i det området hvor sensorene er montert. For å kunne registrere og lagre data, føres det statistikk som viser den dynamiske målte U-verdien inkludert dato og tidspunkt for hendelsen.
I alt er det satt opp 3 målepunkter i bygget i tillegg til måling av romtemperatur og relativ fuktighet. Et målepunkt er installert i kontorlandskap rom 1006, et på driftskontor 1010. I denne delen av bygget består yttervegg av eksponert massivtre på 25 cm (uten isolasjon).
I sør østre del av bygget er det installert et målepunkt på driftskontor 1054. Yttervegger i denne delen av bygget består av tradisjonell oppbygging av massivtrevegg med 10 cm treverk og 10 cm isolasjonssjikt. Isolasjonen ligger på varm side av yttervegg.
I tillegg har hvert av rommene et av målepunktene i tillegg en tynn gjennomsiktig folie liggende på overflaten ute og inne. Måleområder med folie/film er merket med “lukket” på både tegninger og system tags. Folien består av en tynn gjennomsiktig plastfilm som skal etter forsøkene fungere som slags diffusjonssperre mot fuktgjennomtrengning. Akkurat hvor mye denne filmen vil påvirke måleresultatene, vil vurderes når målingene er gjort over tid. Det forventes at de hygrotermiske egenskapene i materialet vil spille en rolle.
For å sammenligne om Fluks målingene vil variere i forhold til luftfuktigheten og temperaturen i rommet, logges også disse. Romtemperaturen ønskes holdes jevn, men luftfuktigheten vil kunne variere på grunn av værforhold og årstider. I tillegg logges også innetemperatur og luftfuktighet. Det termiske inneklimaet og luftfuktigheten i rommene måles for å analysere energistyringen.
Tegning 1 viser sensor og romføler plassering mot nordvegg til kontor 1006.
Tegning 2 viser sensor og romføler plassering på kontor 1054 mot sørveggen.
Tegning 3 viser sensor og romføler plassering på kontor 1010 mot nordveggen.
Utregninger
For å finne de forskjellige verdiene har vi brukt gjennomsnittlige timeverdier.
Manuell utregning U-verdi
Lager 12 består av 800m² kontorbygg og 10000m² lavtemperert lager der kaldtlageret ikke har noe energikrav iht Teknisk forskrift §14-1-4 som sier følgende “For bygning eller del av en bygning som skal holde lav innetemperatur, gjelder ikke energikravene dersom energibehovet holdes på et forsvarlig nivå”
Kontor og administrasjonsfløy i det nordøstre hjørnet som sammenfatter 800m², går under kategori “kontorbygg” og energikravene i teknisk forskrift i §14 dermed gjelder. Det er derfor interessant i denne sammenheng å finne U-verdi og egenskapene til de uisolerte massivtreveggene av 25cm mot isolerte vegger.
Ved manuell U-verdi beregning av 250 mm tykk massivtrevegg bestående av et homogent sjikt, innhenter vi opplysninger fra leverandøren på varmeovergangsmotstandens indre(Rsi) og ytre(Rse) verdi og veggens termiske varmemotstand (R). I produktdatabladet (link til vedlegget) er Rsi oppgitt til å være 0,130 og Rse 0,004 og veggens termiske varmemotstand ved 25cm oppgitt til 2,083 m²K/W. Vi legger deretter alle motstandene sammen for å finne den totale varmeovergangsmotstanden.
Vi setter de oppgitte verdiene inn i formelen:
Rtot=Rsi+ Rse + R1 (m²K/W)
Rtot=0,130 + 2,083 + 0,040 = 2,253 m²K/W
Og formel for U-verdi er uttrykt ved:
U=1/Rtot (W/m²K)
Ettersom veggen består av et homogent sjikt legges ikke inn korreksjon konstant 𝞓U i ligningen.
U=1/2,253
=0,44 W/m²K
En massivtre veggen på 25cm av homogent sjikt har dermed en teoretisk U-verdi på 0,44 W/m²K
Tolking av data
Innsamlet data er lest av mellom perioden 26.03.2018 og 01.05.2018. Vi har til sammen logget dataverdier på alle 3 rommene samt utendørs. Verdiene er logget med intervall på hvert minutt, men for å ikke logge unødvendig mye mengder med data og for å ha en bedre oversikt på grafene, har vi beregnet gjennomsnittet til pr. time.
Vi har fraviket fra produktmanualen som sier at Huksefluxsensoren skal kun benyttes innendørs. Vi har også benyttet sensorene utendørs for å kunne skaffe de nødvendige målingene. Temperaturfølerne er i manualen anbefalt å montere inntill overflaten som skal måles, slik at det er overflatetemperaturen på veggen som måles. Vi har montert temperaturfølerne litt fra vegg slik at det skal være omgivelsetemperaturen som måles. Dette er ikke slik Huksefluksmanualen beskriver plasseringen av temperatursensorene. Vi har derfor valgt og ikke bruke formel 2.1 men istedenfor valgt å bruke formel 1.1.5 som regner ut direkte U-verdi. Forskjellen mellom disse to formlene er begrepet hva temperatur sensorene måler. Huksefluks manualen beskriver utregninger basert på veggoverflatetemperatur og da er det varmeledningsevnen (lambda) vi kalkulere. Vi følger ISO 9869-1:2014(E) standardens installasjon og kalkulerings beskrivelse 6.1 og Annex E, E.1 der omgivelsetemperatur blir målt. Vi har også rådført oss med leverandøren av Huksefluks sensorene gjennom E-poster samt Treteknisk for og bekrefte at dette blir riktig utregningsmetode.
-
Snitt dynamisk times U-verdi (D.t-U-verdi). Her kalkuleres det ut en u-verdi for hver time gjennom hele perioden, for så å ta gjennomsnittet av alle U-verdiene.
-
U-acc(akkumulert). Denne U-verdien baserer seg på det å ta gjennomsnittet for hele perioden for fluks og delta temperatur. For så å kalkulere ut en total snitt U-verdi
Når vi nå har snitt verdiene så ser vi også store variasjoner på temperatur sensorene. Vi tror at følerne blir påvirket av eksterne kilder (spektralstråling), som sol, radiatorer og generell plassering av sensorene.
Se tabell under.
Tabell 1 : Snitt verdier for hele dagen
Tabell 2 : Snitt verdier uten arbeidstid
I tabellene så har vi to forskjellige U-verdier, D.t.U-verdi og U-acc.
-
D.t.U-verdi: utgangspunkt i timeverdien av fluksen og time verdien delta t for å kalkulere ut den gjennomsnittlige U-verdien per time. Så gikk vi manuelt gjennom alle verdiene og fjernet alle store avvik (over 2 og under -2). Tilslutt så tok vi gjennomsnittet av alle de dynamiske U-verdiene i hele måleperioden. Derfor heter denne verdien Dynamisk times U-verdi (D.t.U-verdi).
-
U-acc: utgangspunkt i gjennomsnittet av fluksen for hele måleperioden og delta t for hele perioden er den akkumulerte verdien, her tar vi gjennomsnittet av fluksen for hele måleperioden og delta t for hele. Så kalkulere vi en akkumulert U-verdi.
I grafene har vi valgt å fjerne de usannsynlige høye verdiene, det er kun i tabellen det er gjort. Vi oppdaget at den akkumulerte og den uvaskede D.t. U-verdien er ganske like. Men når vi fjerner de høye verdiene så får vi ulike U-verdier. Vi har egentlig forestilt oss ved å regne ut U-verdi pr. time i forhold til akkumulert U-verdi, skulle dette gi større forskjell. Siden man beregner pr. time så får man ved flere tilfeller en delta T som er veldig lav og med negativ fortegn (minus), da får man abnormale U-verdier. Når man regner ut akkumulert U-verdi så slipper man å bekymre seg for delta T siden vi kalkulerer kun tre tall (snitt Flux / snitt temperatur inne - snitt temperatur ute).
Grafene ligger her: statestikker.
Det første som ble lagt merke til var at utetemperaturen på sørveggen (rom 1054) ble registrert som veldig høyt. Vi ble dermed enige om å lage grafer der vi ikke tok med verdiene som er målt på dagtid. Vi vurderte det slik at to ulike grafer vil kunne bidra til å utelukke eventuelle feilkilder. Utendørs sensorene er direkte påvirket av sollys som anses som et realistisk usikkerhetsmoment. Høye utetemperaturer vil også kunne gi varmegjennomstrømming utenfra og inn, og det vil si motsatt vei av hva U-verdi normalt betegner.
Konklusjon
Gjennomføringen av prosjektet har gitt oss en del utfordringer. Første utfordring var å få riktig måledata ut av PLS'en slik at vi kunne begynne og loggføre riktig data. Når datamengdene endelig ble logget riktig, måtte det også være mulig å kunne fjernavlese og hente laste ned dataen. Etter å ha prøvd en del forskjellige løsninger, falt valget på VPN (Virtual Private Network) løsning. Da kan man enkelt logge seg inn i PLS`ens grensesnitt slik at man til enhver tid kan hente ut data via filoverføringsprotokoll FTP.
Logging av data foregår i utgangspunktet hvert minutt, men det ble fort ganske store datamengder som vi må forholde oss til samt at det ble upraktisk og komplisert å håndtere denne data manuelt. Det ble derfor laget et python skript som kunne hjelpe oss med databehandlingen slik at den ble automatisk klar til å legges inn i graf programmet. Link til https://github.com/espenbo/genfiles.py . Når vi begynte å legge inn dataene i grafene kom det tydelig fram at vi hadde noen negative og abnormale høye U-verdier med å gjøre. Vi mener at dette i grunn er skyld i ytre påvirkninger som vær og varme fra radiatorovner sensorene er blitt utsatt for. Alle sensorene er montert under værhus uavhengig om de er montert utvendig eller innvendig. Det er spesielt sensorene som er plassert mot sør siden og på dagtid som vi måler abnormale verdier. Dette forklares med at når utetemperaturen blir høyere enn innetemperaturen vil energiflyten gå motsatt retning. Vanligvis går varmen innenfra og ut, men når temperaturen blir høyere ute vil varmen strømme utenfra og inn. Med tanke på varme fra sola ser vi at det kunne vært interessant med en temperaturføler plasser midt i massivtrevegg slik at vi kunne vurdert hvor langt inn i veggen solenergien når og om den klarer å varme opp samt hvor lang tid det tar. Dette er ikke medtatt.
Våre målinger er foretatt i perioden mellom 26.03.2018 til 01.05.2018. Dette gir i utgangspunktet en altfor for kort periode av måling for å kunne foreta konkrete analyserer og konklusjoner, men det bør kunne gi oss indikasjon på forventet resultat ved hvis vi hadde et helt år med måling og analysering til rådighet.
Leverandøren av massivtre elementene opplyser om at en 25 cm dyp homogen massivtrevegg i rent tre, gir under laboratorie testing en teoretisk U-verdi på 0,44 (W/m2K). Sett i sammenheng med leverandørens vurdering og dokumentasjon, konkluderer vi med at dette nødvendigvis ikke er fasiten. Det er helt klart værforhold og andre ytre påvirkninger akkurat på den respektive veggen gjort ved dynamisk måling over tid som til slutt definerer U-verdien. I våre målinger har vi delt resultatene i to forskjellige grafer. Vi har laget en egen graf der vi har ekskludert måledata fra tidsrommet Kl. 08:00 til 16:00. Dette er for å sikre at vær, sol og vind ikke skal kunne påvirke resultatene for mye.
Her under kan dere se den dynamiske U-verdien for hele måleperioden, De tre første første grafene er med måledata fra hele døgnet:
Rom 1006 (se vedlegg rom 1006 U-verdi matte, for utregning)
Rom 1010 (se vedlegg rom 1010 U-verdi matte, for utregning)
Rom 1054 (se vedlegg rom 1054 U-verdi matte, for utregning)
Som vi ser av grafene er det noen av målingene som har veldig høye verdier. Dette gir oss også negative U-verdier. Vi forstår det slik at disse verdiene har sammenheng med utetemperaturen som er målt på vegg, og mener det er påvirkningen fra sola som varmer opp veggen.
Vi har derfor laget disse grafene som kun tar for seg kveld/natt.
Rom 1006 mellom kl16.00 - 08.00 (se vedlegg rom1006 U-verdi matte, for utregning)
Rom 1010 mellom kl 16.00 - 08.00 (se vedlegg rom 1010 U-verdi matte, for utregning)
Rom 1054 mellom kl 16.00 - 08.00 (se vedlegg rom 1054 U-verdi matte, for utregning)
-
U-verdi for nordvegg i massivtre: 0,37 W/m²K
-
U-verdi for sørvegg i massivtre: 0,33 W/m²K
-
U-verdi for sørvegg i isolert massivtre: 0,16 W/m²K
I henhold til alle måleresultatene vi har utført er U-verdier ganske høye, og ikke innenfor akseptable krav for byggematerialer i henhold til TEK 10 §14-3 (0,22 W/m²K).Vi kan se forskjell på 0,4-0,5 grader i omgivelsetemperatur der det er plast film montert eller ikke. Dette tyder på at det er en hygrotermisk effekt.
Når vi nå ser all denne dataen som samles inn ser vi for oss flere bruksområder for et tilsvarende oppsett på andre bygg. For det første vil flere tilsvarende målinger i andre bygg gi oss et mye bedre sammenligningsgrunnlag. Både når man sammenligner vegger bestående av samme materiale (eks massivtre) eller andre materialer (Betong, Lecamur, teglsteinsmur osv.) Med et en større database av målinger som er utført på forskjellige bygg vil rådgivere, utbyggere, arkitekter og byggeier ha et bedre utgangspunkt for å velge hvilke materialer de ønsker og bygge i. Vi ser også at verdiene varierer både i forhold til utetemperaturer og fasade retning (nord, sør, øst, vest) påvirker resultatene. Med et større datagrunnlag så vil man kunne se om enkelte fasader bør/kan ha mer eller mindre isolerende evne men likevel oppfylle kravene i TEK.
Målingene kan også brukes for å kontrollere de teoretiske beregningene som er gjort før bygget ble bygget.
