Summary: Indoor swimming pool halls are demanding buildings to design and operate because several indoor climate requirements must be handled at the same time. The ventilation system must provide thermal comfort, control relative humidity, reduce condensation risk on cold surfaces, remove moisture from pool water evaporation and limit occupant exposure to airborne pollutants. In such buildings, the air distribution principle is therefore as important as the total ventilation rate. Air that does not reach the occupied zone, the façade or the region close to the pool surface may give limited benefit, even if the nominal air change rate appears sufficient. This thesis investigates how different air distribution strategies influence the indoor environment in the main swimming hall at Åfjord Activity Centre in Trøndelag, Norway. The hall contains a 25 m pool with a water surface area of approximately 388 m², a total floor area of approximately 733 m² and an air volume of approximately 5142 m³. The main objective was to compare how selected ventilation concepts affect airflow organisation, temperature distribution, relative humidity, nitrogen trichloride (NCl₃) transport and local air renewal in the occupied and near-pool zones. The numerical study was performed using the commercial CFD software Simcenter STAR-CCM+ 2502.0001. A three-dimensional model of the swimming hall was developed based on architectural and ventilation drawings. The simulations were carried out as steady-state RANS calculations using the SST k-ω turbulence model. The pool surface was modelled as a wall boundary with prescribed source terms for water vapour and NCl₃, enabling comparison of moisture and contaminant transport between the different ventilation layouts. Four ventilation scenarios were analysed under the same winter design assumptions and with a nominal ventilation rate of 4 air changes per hour. Scenario 1 represented a traditional solution with under-window supply and high-level extraction. Scenario 2 used ceiling-mounted textile supply ducts with low-level wall extraction. Scenario 3 combined ceiling-mounted textile supply with under-window supply, while Scenario 4 used the same general supply concept as Scenario 3 but included additional low-level extraction close to the pool edge. The results show clear differences between the ventilation strategies. Scenario 1 provided the strongest façade tempering and reduced the risk of cold downdraught near the windows. However, the high-level extract arrangement gave weaker air renewal in the lower part of the hall and less effective removal of moisture and NCl₃ from the near-pool region. Scenario 2 provided strong room mixing and the lowest Local Age of Air in the evaluated pool and poolside region, but resulted in colder conditions near the glazed façade. Scenario 3 gave a more balanced solution by combining textile supply with under-window façade tempering, although the improvement in contaminant removal was limited compared with Scenario 4. Scenario 4 gave the best overall control of moisture and NCl₃ in the pool and poolside region. The additional extraction close to the pool surface provided a more direct removal path for humid and contaminated air from the region where moisture and NCl₃ are released. The zone-based evaluation showed that Scenario 4 had the lowest relative humidity and NCl₃ concentrations at both 0.15 m and 1.50 m above the pool/floor level. This indicates that source-near extraction is effective for reducing local high-exposure zones, even though Scenario 2 provided the strongest general air renewal. The evaporation results showed that the airflow directly above the pool surface was relatively weak in the investigated cases. The calculated tangential velocity along the water surface was low, and the Sherwood-based mass-transfer contribution did not significantly increase the evaporation rate beyond the imposed baseline value. This suggests that the ventilation layouts mainly influenced how moisture was distributed and removed after release, rather than increasing evaporation through strong airflow across the pool surface. For NCl₃, the simulations confirmed that placement of extract is critical. Since NCl₃ is released at the pool surface and tends to affect the lower part of the hall, high-level extraction was less effective at removing contaminants from the most relevant exposure region. Low-level extraction improved contaminant removal, and the additional pool-side extract in Scenario 4 gave the clearest reduction in both average concentration and local high-concentration zones. The findings indicate that a ventilation concept combining textile ceiling supply, under-window supply and targeted low-level extraction can provide better overall performance than a strategy based mainly on high-level extraction. The study also shows that CFD is a useful tool for comparing ventilation concepts in swimming pool halls, especially when assessing airflow patterns, thermal conditions, moisture transport, contaminant distribution and local air renewal in zones that are difficult to evaluate using simplified design calculations alone.
Norsk sammendrag: Innendørs svømmehaller er krevende bygninger å prosjektere og drifte, fordi flere inneklimakrav må ivaretas samtidig. Ventilasjonssystemet skal sikre termisk komfort, kontrollere relativ fuktighet, redusere risiko for kondens på kalde overflater, fjerne fukt fra fordampning fra bassengvannet og begrense eksponering for luftbårne forurensninger. I slike bygninger er derfor luftfordelingsprinsippet like viktig som den totale ventilasjonsmengden. Luft som ikke når oppholdssonen, fasaden eller området nær bassengoverflaten, kan ha begrenset effekt selv om det nominelle luftskiftet virker tilstrekkelig. Denne masteroppgaven undersøker hvordan ulike luftfordelingsstrategier påvirker inneklimaet i hovedsvømmehallen ved Åfjord Aktivitetssenter i Trøndelag. Hallen består av et 25 m basseng med et vannflateareal på omtrent 388 m², et totalt gulvareal på omtrent 733 m² og et luftvolum på omtrent 5142 m³. Hovedmålet var å sammenligne hvordan utvalgte ventilasjonskonsepter påvirker luftstrømning, temperaturfordeling, relativ fuktighet, transport av nitrogentriklorid (NCl₃) og lokal luftfornyelse i oppholdssonen og nær bassengområdet. Den numeriske studien ble utført med det kommersielle CFD-programmet Simcenter STAR-CCM+ 2502.0001. En tredimensjonal modell av svømmehallen ble utarbeidet basert på arkitekt- og ventilasjonstegninger. Simuleringene ble gjennomført som stasjonære RANS-beregninger med SST k-ω turbulensmodell. Bassengoverflaten ble modellert som en veggflate med definerte kildetermer for vanndamp og NCl₃, slik at transport av fukt og forurensninger kunne sammenlignes mellom de ulike ventilasjonsløsningene. Fire ventilasjonsscenarioer ble analysert under samme vinterdimensjonerende forutsetninger og med et nominelt luftskifte på 4 luftvekslinger per time. Scenario 1 representerte en tradisjonell løsning med tilluft under vindu og høyt plassert avtrekk. Scenario 2 benyttet tekstilkanaler i himling med lavt plassert veggavtrekk. Scenario 3 kombinerte tekstiltilluft i himling med tilluft under vindu, mens Scenario 4 brukte samme overordnede tilluftsprinsipp som Scenario 3, men med ekstra lavt plassert avtrekk nær bassengkanten. Resultatene viser tydelige forskjeller mellom ventilasjonsstrategiene. Scenario 1 ga best fasadetemperering og reduserte risikoen for kaldras nær vinduene. Samtidig ga den høyt plasserte avtrekksløsningen svakere luftfornyelse i den nedre delen av hallen og mindre effektiv fjerning av fukt og NCl₃ fra området nær bassenget. Scenario 2 ga sterk romomrøring og lavest lokal luftalder i det evaluerte basseng- og bassengnære området, men førte til kaldere forhold nær glassfasaden. Scenario 3 ga en mer balansert løsning ved å kombinere tekstiltilluft med fasadetemperering under vindu, men forbedringen i forurensningsfjerning var begrenset sammenlignet med Scenario 4. Scenario 4 ga best samlet kontroll av fukt og NCl₃ i basseng- og bassengnært område. Det ekstra avtrekket nær bassengoverflaten ga en mer direkte fjerning av fuktig og forurenset luft fra området der fukt og NCl₃ frigjøres. Den sonebaserte evalueringen viste at Scenario 4 hadde lavest relativ fuktighet og lavest NCl₃-konsentrasjon både 0,15 m og 1,50 m over basseng-/gulvnivå. Dette indikerer at avtrekk nær kilden er effektivt for å redusere lokale høyt eksponerte soner, selv om Scenario 2 ga sterkest generell luftfornyelse. Fordampningsresultatene viste at luftbevegelsen direkte over bassengoverflaten var relativt svak i de undersøkte tilfellene. Den beregnede tangentielle hastigheten langs vannoverflaten var lav, og det Sherwood-baserte masseoverføringsbidraget økte ikke fordampningsraten betydelig utover den pålagte grunnverdien. Dette tyder på at ventilasjonsløsningene hovedsakelig påvirket hvordan fukt ble fordelt og fjernet etter frigivelse, heller enn å øke fordampningen gjennom sterk luftstrøm over bassengoverflaten. For NCl₃ bekreftet simuleringene at plassering av avtrekk er avgjørende. Siden NCl₃ frigjøres ved bassengoverflaten og i størst grad påvirker den nedre delen av hallen, var høyt plassert avtrekk mindre effektivt for å fjerne forurensninger fra den mest relevante eksponeringssonen. Lavt plassert avtrekk forbedret forurensningsfjerningen, og det ekstra bassengnære avtrekket i Scenario 4 ga den tydeligste reduksjonen både i gjennomsnittlig konsentrasjon og i lokale soner med høye konsentrasjoner. Funnene indikerer at et ventilasjonskonsept som kombinerer tekstiltilluft i himling, tilluft under vindu og målrettet lavt plassert avtrekk kan gi bedre samlet ytelse enn en strategi som hovedsakelig baserer seg på høyt plassert avtrekk. Studien viser også at CFD er et nyttig verktøy for å sammenligne ventilasjonskonsepter i svømmehaller, særlig ved vurdering av luftstrømningsmønstre, termiske forhold, fukttransport, forurensningsfordeling og lokal luftfornyelse i soner som er vanskelige å evaluere med forenklede dimensjoneringsberegninger alene.
Supervisor(s): Arnab CHAUDHURI (OsloMet).
Acknowledgements: SIAT (Ole Øiene SMEDEGÅRD).
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5553696

Summary: The transition from synthetic rubber (SBR) infill to organic alternatives in artificial turf football halls is accelerating under the EU restriction on microplastic releases. The environmental motivation for this shift is well established, but the biological consequences of organic infill in enclosed indoor environments remain poorly characterized. Organic materials may differ from synthetic rubber in moisture absorption, porosity, and the ability to support microbial activity, which is potentially relevant for indoor air quality and user health. This thesis investigates whether the use of organic infill in indoor artificial turf football halls may entail challenges related to airborne fungi and bacteria, and how environmental parameters relate to the observed microbial concentration. A comparative field study was conducted in four Norwegian indoor halls, each with a different organic infill material: olive pit (H1), cellulose-coated sand (H2), birch chips (H3), and cork (H4). At each hall, airborne microorganisms were sampled with a SAS 180 active air sampler at three indoor sampling points and one outdoor reference point on four culture media (MEA, DG18, NA, MSA). Standardised simulated activity was performed each sample to resuspend particles from the infill. Indoor environmental parameters (CO2, RH, temperature, PM2.5, PM10) were recorded each sampling session. Airborne microbial concentrations varied widely between the four halls. Indoor fungal concentrations on MEA ranged from 1 CFU/m³ (H3) to 996 CFU/m³ (H4) as means, and bacterial concentrations on NA ranged from 277 CFU/m³ (H3) to over 5 200 CFU/m³ (H2). Three of four halls were dominated by bacteria, while H4 (cork) showed a fungal-dominated profile with fungi accounting for approximately 58 % of the cultivated microbial load. Indoor concentrations exceeded outdoor concentrations on most media, indicating that halls with organic infill can act as sources of airborne microorganisms. MSA concentrations were notably consistent across halls (151 CFU/m³ to 351 CFU/m³), suggesting that variation on the other media reflects hall-specific factors. The combined effect of infill type, moisture, ventilation strategy, hall age, and operational conditions appears to determine the resulting airborne microbial load. With one hall per infill material, the effect of the infill itself cannot be statistically separated from these factors, but the study provides a baseline for further investigation into the indoor air quality implications of organic infill in indoor football halls.
Norsk sammendrag: Overgangen fra syntetisk gummi (SBR) til organiske alternativer som granulat i kunstgress haller vokser som følge av EUs restriksjoner mot utslipp av mikroplast. Den miljømessige motivasjonen for denne oppgaven er godt etablert, men de biologiske konsekvensene av organisk granulat i lukkede innendørsmiljøre er fortsatt dårlig kartlagt. Organiske materialer kan skille seg fra syntetisk gummi når det gjelder fuktopptak, porøsitet og evne til å understøtte mikrobiell aktivitet, noe som er potensielt relevant for inneklima og helsen til brukeren. Denne masteroppgaven undersøker om bruk av organisk granulat i innendørs kunstgresshaller kan medføre utfordringer knyttet til luftbårne sopper og bakterier, og hvordan miljøparametere henger sammen med den observerte mikrobielle konsentrasjonen. Et komparativt feltstudie ble gjennomført i fire norske innendørshaller, hver med unikt organisk innfyllsmateriale: olivenstein (H1), cellulosebelagt sand (H2), bjørkeflis (H3) og kork (H4). I hver hall ble luftbårne mikroorganismer prøvetatt med en SAS 180 aktiv luftprøvetaker ved tre innendørs prøvetakingspunkter og ett utendørs referansepunkt på fire forskjellige dyrkningsmedier (MEA, DG18, NA, MSA). Standardisert, simulert aktivitet ble utført under hver prøve for å resuspendere partikler fra innfyllet. Innendørs miljøparametere (CO2, RF, temperatur, PM2.5, PM10) ble registrert for hver prøvetaktingsøkt. Luftbårne mikrobielle konsentrasjoner varierte betydelig mellom de fire hallene. Innendørs gjennomsnitt soppkonsentrasjon på MEA varierte fra 1 CFU/m³ (H3) til 996 CFU/m³ (H4), og bakteriekonsentrasjoner på NA varierte fra 277 CFU/m³ (H3) til over 5200 CFU/m³ (H2). Tre av fire haller var dominert av bakterier, mens H4 (kork) viste en soppdominert profil der sopp utgjorde omtrent 58 % av den dyrkede mikrobielle belastningen. Innendørs konsentrasjonene oversteg utendørs konsentrasjonene på de fleste mediene, noe som indikerer at innendørshaller med organisk innfyll kan fungere som kilder til luftbårne mikroorganismer. MSA-konsentrasjonene var nær konsistente på tvers av hallene (151 CFU/m³ til 351 CFU/m³), noe som tyder på at variasjonen på de andre mediene reflekterer hallspesifikke faktorer. Den samlede effekten av innfyllstype, fuktighet, ventilasjonsstrategi, hallens alder og driftsforhold synes å bestemme den resulterende luftbårne mikrobielle belastningen. Med én hall per innfyllsmateriale kan effekten av selve innfylle ikke statistisk skilles fra disse faktorene, men studien gir et utgangspunkt for videre undersøkelser av betydningen organisk granulat i innendørs fotballhaller har for inneklimaet.
Supervisor(s): Ole Øiene SMEDEGÅRD (SIAT); Arnab CHAUDHURI (OsloMet).
Acknowledgements: OsloMet (Bente HELLUM, Colin CHARNOCK); NIBIO (Erik LARNØY); NFF (Norwegian Football Federation); SIAT (Senter for idrettsanlegg og teknologi).
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5553770

Summary: Indoor football halls with artificial turf represent a poorly studied indoor environment, despite being used intensively by many athletes throughout the year. In a country with a Nordic climate and long winters, the need for indoor training facilities is substantial, and the number of indoor football halls in Norway is steadily increasing. This study examines the indoor climate in four Norwegian indoor football halls with different types of infill granulate: two with SBR granulate and two with birch granulate. Measurements of temperature, relative humidity, CO₂, particles (PM2.5 and PM10), VOC, and airborne bacteria and mould were carried out during the period February–April 2026. Measurements were taken at three fixed indoor points, in addition to an outdoor sample serving as a reference value. All measurements were conducted under normal operating conditions in the halls. The results show clear differences between the various halls. The two halls with SBR granulate had very high concentrations of airborne bacteria, with indoor values many times higher than outdoor air, indicating a clear internal source of microbial load. One of the halls also exceeded the Norwegian Institute of Public Health’s (FHI) air quality criteria for both PM2.5 and PM10 at all particle measurement points. The halls with birch granulate generally had lower values and were closer to outdoor levels for both particles and microorganisms. VOC levels were low in all halls and within normal ranges. SEM analysis of air samples from the SBR halls showed higher indoor particle loads than outdoors, further confirming that the source of the particles is located inside the halls. The study concludes that the indoor climate is largely influenced by a combination of ventilation, activity and usage, operational routines, watering practices, and the age and degree of wear of the granulate. Due to the study’s limitations in measurements and analyses, it is not possible to isolate the effect of granulate type alone, as the halls also differ from one another in construction, age, operation, ventilation solution, and usage intensity. Nevertheless, good ventilation and regular cleaning stand out as the most important individual measures for ensuring satisfactory air quality in indoor football halls.
Norsk sammendrag: Innendørs fotballhaller med kunstgress representerer et lite studert innemiljø, til tross for at hallene brukes intensivt av mange utøvere gjennom hele året. I et land med nordisk klima og lange vintre er behovet for innendørs treningsfasiliteter stort, og antallet innendørs fotballhaller i Norge er stadig økende. Denne studien undersøker inneklimaet i fire norske innendørs fotballhaller med ulikt granulat; to med SBR-granulat og to med bjørkegranulat. Det ble gjennomført målinger av temperatur, relativ luftfuktighet, CO₂, partikler (PM2,5 og PM10), VOC, og luftbårne bakterier og muggsopp i perioden februar–april 2026. Målingene ble gjort ved tre faste punkter innendørs i tillegg til en utendørs prøve som referanseverdi. Alle målinger er gjort under normale driftsforhold i hallene. Resultatene viser tydelige forskjeller mellom de ulike hallene. De to hallene med SBR-granulat hadde svært høye konsentrasjoner av luftbårne bakterier, med innendørsverdier mange ganger høyere enn uteluft, noe som indikerer en tydelig intern kilde til den mikrobielle belastningen. En hall overskred også FHIs luftkvalitetskriterier for både PM2,5 og PM10 på alle målepunkter. Hallene med bjørkegranulat hadde generelt lavere verdier og lå nærmere utendørsnivåene for både partikler og mikroorganismer. VOC-nivåene var lave i alle hallene, og innenfor normale verdier. SEM-analyse av luftprøver fra SBR-hallene viste høyere partikkelbelastning innendørs enn utendørs, noe som også bekrefter at kilden til partiklene er innendørs i hallene. Studien konkluderer med at inneklimaet i stor grad påvirkes av en kombinasjon av ventilasjon, driftsrutiner, bruksintensitet, vanning og granulatets alder og slitasjegrad. Det er grunnet studiens begrensinger i målinger og analyser ikke mulig å isolere effekten av granulattype alene, da hallene også skiller seg fra hverandre i konstruksjon, alder, drift, ventilasjonsløsning og bruksintensitet. God ventilasjon og regelmessig renhold fremstår likevel som de viktigste enkelttiltakene for å sikre tilfredsstillende luftkvalitet i innendørs fotballhaller.
Supervisor(s): Ole Øiene SMEDEGÅRD (SIAT); Arnab CHAUDHURI (OsloMet).
Acknowledgements: SIAT (Senter for idrettsanlegg og teknologi); OsloMet Fakultet for Helsevitenskap (Colin Charnock); Camfil (Nils Ledermann); Norsk Fotballforbund; Structor Tekniske
Systemer.
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5553783

Summary: This thesis investigates how different ventilation and heating solutions affect indoor climate and energy use in indoor football halls under Arctic climatic conditions. Indoor football halls represent challenging buildings with large indoor volumes, high ceilings, and significant variations in occupancy. This creates challenges related to ventilation, temperature regulation, indoor air quality, and energy use. The study includes Finnmarkshallen, Vår Energi Arena, and Bardufoss Storhall, which represent different ventilation and heating principles. The data foundation consists of measurements of temperature, relative humidity, CO₂ concentrations, and particulate matter, simulations in IDA ICE, as well as questionnaires distributed to operational personnel and professionals within the building and HVAC sector. The results showed significant differences between the halls regarding thermal conditions, indoor air quality, ventilation operation, and energy use. None of the halls maintained fully satisfactory indoor climate conditions for all the parameters investigated throughout the entire measurement period. At the same time, the results showed that actual operation and system regulation in several cases differed from the intended design conditions. Finnmarkshallen showed larger temperature differences within the hall volume and periods with high CO₂ concentrations during high occupancy. The results indicate that the actual ventilation airflow rates were in periods significantly lower than the designed airflow rates, which likely contributed to both reduced air quality and larger temperature differences in the hall. The measurements also showed periods with very low relative humidity during low outdoor temperatures. Vår Energi Arena achieved the most stable indoor climate conditions, with small temperature differences between measurement points, stable CO₂ concentrations, and relative humidity within recommended levels. The hall also had lower specific energy use than Finnmarkshallen. The results indicate that a high recirculation air ratio and effective air distribution may contribute to reduced heating demand, less drying of indoor air, and more stable thermal conditions under Arctic climatic conditions. Bardufoss Storhall had the lowest recorded specific energy use, but also low indoor temperatures, very high relative humidity, and periods with elevated CO₂ concentrations. The results therefore show that low energy use alone does not necessarily provide satisfactory indoor climate conditions. The high relative humidity also indicated an increased risk of condensation, mold growth, and moisture damage in the hall. The results further showed that satisfactory CO₂ levels could be maintained at airflow rates significantly lower than the current guideline values for traditional sports halls. This may indicate that current ventilation design criteria are not directly transferable to indoor football halls. The simulation results showed that temperature distribution and heat utilization in large hall volumes are complex conditions that may be difficult to represent realistically in simulation models. Comparisons between simulated and measured energy use also showed that the models in several cases predicted higher temperatures and lower energy use than observed during actual operation. Overall, the study shows that ventilation strategy, air distribution, system regulation, and actual operation have a major impact on both indoor climate and energy use in football halls under Arctic climatic conditions. The results further indicate that demand-controlled ventilation, adapted airflow regulation, and recirculation air may be suitable measures for achieving a better balance between indoor climate and energy-efficient operation.
Norsk sammendrag: Denne oppgaven undersøker hvordan ulike ventilasjons- og oppvarmingsløsninger påvirker inneklima og energibruk i fotballhaller under arktiske klimaforhold. Fotballhaller representerer krevende bygg med store romvolumer, høy takhøyde og store variasjoner i personbelastning. Dette gir utfordringer knyttet til ventilasjon, temperaturregulering, luftkvalitet og energibruk. Studien omfatter Finnmarkshallen, Vår Energi Arena og Bardufoss Storhall, som representerer ulike ventilasjons- og oppvarmingsprinsipper. Datagrunnlaget består av målinger av temperatur, relativ luftfuktighet, CO₂ og partikkelkonsentrasjoner, simuleringer i IDA ICE samt spørreundersøkelser blant driftspersonell og fagpersoner innen bygg- og VVS-fag. Resultatene viste betydelige forskjeller mellom hallene både når det gjelder temperaturforhold, luftkvalitet, ventilasjonsdrift og energibruk. Ingen av hallene opprettholdt fullt tilfredsstillende inneklimaforhold innenfor alle undersøkte parametere gjennom hele måleperioden. Samtidig viste resultatene at faktisk drift og regulering i flere tilfeller avvek fra de prosjekterte driftsforutsetningene. Finnmarkshallen viste større temperaturforskjeller i hallvolumet og perioder med høye CO₂-nivåer ved høy belastning. Resultatene indikerer at faktisk ventilasjonsdrift i perioder var betydelig lavere enn prosjektert luftmengde, noe som trolig bidro til både redusert luftkvalitet og større temperaturforskjeller i hallen. Målingene viste samtidig perioder med svært lav relativ luftfuktighet ved lave utetemperaturer. Vår Energi Arena oppnådde de mest stabile inneklimaforholdene, med små temperaturforskjeller mellom målepunktene, stabile CO₂-nivåer og relativ luftfuktighet innenfor anbefalte nivåer. Hallen hadde samtidig lavere spesifikt energiforbruk enn Finnmarkshallen. Resultatene indikerer at høy omluftsandel og god luftfordeling kan bidra til redusert oppvarmingsbehov, mindre uttørking av inneluften og mer stabile temperaturforhold under arktiske klimaforhold. Bardufoss Storhall hadde lavest registrert spesifikt energiforbruk, men samtidig lave temperaturer, svært høy relativ luftfuktighet og perioder med forhøyede CO₂-nivåer. Resultatene viser dermed at lav energibruk alene ikke nødvendigvis gir tilfredsstillende inneklima. Den høye relative luftfuktigheten indikerte samtidig økt risiko for kondens, muggsopp og fuktskader i hallen. Resultatene viste samtidig at tilfredsstillende CO₂-nivåer i stor grad kunne opprettholdes ved luftmengder betydelig lavere enn dagens veiledende verdier for tradisjonelle idrettshaller. Dette kan indikere at dagens dimensjoneringsgrunnlag ikke nødvendigvis er direkte overførbare til fotballhaller. Simuleringsresultatene viste at temperaturfordeling og varmeutnyttelse i store hallvolumer er komplekse forhold som kan være krevende å representere realistisk i simuleringsmodeller. Sammenligning mellom simulert og registrert energibruk viste samtidig at modellene i flere tilfeller beregnet høyere temperaturer og lavere energibruk enn observert i faktisk drift. Samlet viser studien at ventilasjonsstrategi, luftfordeling, regulering og faktisk drift har stor betydning for både inneklima og energibruk i fotballhaller under arktiske klimaforhold. Resultatene indikerer samtidig at behovsstyring, tilpasset regulering av luftmengder og bruk av omluft kan være riktige tiltak for å oppnå en bedre balanse mellom både inneklima og energieffektiv drift.
Supervisor(s): Ole Øiene SMEDEGÅRD (SIAT); Arnab CHAUDHURI (OsloMet).
Acknowledgements: Norconsult (Eivind Kjellmann OPGÅRD); Senter for idrettsanlegg og teknologi (SIAT).
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5552489

Summary: Energy efficiency improvements in existing buildings are an important measure for reducing energy consumption, peak power demand, and greenhouse gas emissions in the building sector. At the same time, the choice of energy supply is influenced by technical, economic, and regulatory factors. This thesis analyses an existing commercial building in Oslo, where different energy supply solutions are evaluated regarding energy performance, power demand, economic profitability, and energy rating. The study is based on a rehabilitated commercial building where a ground-source heating system with boreholes has been installed and investigates how different energy solutions affect the buildings performance under current framework conditions. A reference model was established in SIMIEN Pro based on the building’s original technical systems prior to rehabilitation. Three different scenarios were then analysed and compared: ground-source heating with boreholes and a ground-source heat pump, district heating, and an exhaust air heat pump. In addition, scenarios including local electricity production from photovoltaic panels were analysed. Energy performance, power demand, thermal indoor climate, energy rating, and economic profitability were assessed using dynamic energy simulations and economic analyses. The results showed that the ground-source heating scenario provided the best overall performance among the analysed solutions. This scenario reduced delivered energy by 36,5% compared to the reference scenario, while the cooling demand was almost eliminated due to free cooling from the boreholes. The district heating scenario and the exhaust air heat pump resulted in lower reductions in delivered energy, of 3,0 % and 8,6%, respectively. The results also demonstrated that measures reducing delivered energy and measures changing the energy carrier affect energy performance, power demand, and energy rating in different ways. The economic analysis revealed clear differences between the scenarios. The ground-source heating solution achieved the largest annual cost savings, a positive net present value, and a payback period of approximately 10 years. In contrast, the district heating scenario resulted in limited economic savings despite high investment costs. The results also showed that an improved energy rating does not necessarily correspond to reduced energy consumption or improved economic performance, as the district heating scenario achieved a favourable energy rating due to the weighting factors in the energy certification scheme. The thesis therefore demonstrates how the choice of energy supply can influence energy performance, power demand, economic profitability, and energy rating in different ways, and how current regulations and framework conditions may affect which solutions are selected in the rehabilitation of commercial buildings.
Norsk sammendrag: Energieffektivisering i eksisterende næringsbygg er et viktig tiltak for å redusere energibruk, effektbelastning og klimagassutslipp i byggesektoren. Samtidig påvirkes valg av energiforsyning av både tekniske, økonomiske og regulatoriske forhold. I denne oppgaven analyseres et eksisterende næringsbygg i Oslo, hvor ulike energiforsyningsløsninger vurderes med hensyn til energiytelse, effektbehov, økonomisk lønnsomhet og energikarakter. Oppgaven tar utgangspunkt i et rehabilitert næringsbygg hvor det er etablert grunnvarme med energibrønner, og undersøker hvordan ulike energiløsninger påvirker byggets ytelse under dagens rammebetingelser. Det ble etablert en referansemodell i SIMIEN Pro basert på byggets opprinnelige tekniske systemer før rehabilitering. Deretter ble tre ulike scenarioer analysert og sammenlignet: grunnvarme med energibrønner og væske-vann-varmepumpe, fjernvarme og avkastvarmepumpe. I tillegg ble scenarioer med lokal strømproduksjon fra solceller analysert. Energiytelse, effektbehov, termisk inneklima, energikarakter og økonomisk lønnsomhet ble vurdert ved hjelp av dynamiske energiberegninger og økonomiske analyser. Resultatene viste at grunnvarmescenarioet ga den beste samlede ytelsen av de analyserte løsningene. Scenarioet reduserte levert energi med 36,5 % sammenlignet med referansescenarioet, samtidig som kjølebehovet nesten ble eliminert på grunn av frikjøling fra energibrønnene. Fjernvarmescenarioet og scenarioet med avtrekksvarmepumpe ga lavere reduksjoner i levert energi, henholdsvis 3,0 % og 8,6 %. Resultatene viste også at tiltak som reduserer levert energi og tiltak som endrer energibærer påvirker energiytelse, effektbehov og energikarakter på ulike måter. Den økonomiske analysen viste tydelige forskjeller mellom scenarioene. Grunnvarmeløsningen oppnådde størst årlige kostnadsbesparelser, positiv nåverdi og en tilbakebetalingstid på omtrent 10 år. Fjernvarmescenarioet ga derimot begrensede økonomiske besparelser til tross for høye investeringskostnader. Resultatene viser samtidig at forbedret energikarakter ikke nødvendigvis samsvarer med redusert energibruk eller økonomisk ytelse, da fjernvarmescenarioet oppnådde en fordelaktig energikarakter som følge av vektingsfaktorene i energimerkeordningen. Oppgaven viser dermed hvordan valg av energiforsyning kan påvirke både energiytelse, effektbehov, økonomi og energikarakter på ulike måter, og hvordan dagens regelverk og rammebetingelser kan påvirke hvilke løsninger som velges ved rehabilitering av næringsbygg.
Supervisor(s): Mehrdad RABANI (OsloMet).
Acknowledgements: Randem & Hübert (Anders Ettre).
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5540605

Summary: The temperature at ventilation air intakes can be influenced by local microclimatic conditions around buildings. This may lead to differences between meteorological reference data and the actual temperature of the air entering the ventilation system. Since meteorological climate data are often used as a basis for energy calculations, system sizing and operation of ventilation and cooling systems, such deviations can have practical significance. This study investigates temperature deviations, ΔT, between ventilation intake temperature, Tinlet, and meteorological reference temperature, Tmet, for existing buildings in Norway. The dataset mainly consists of school buildings in Oslo, as well as selected buildings in Trondheim and Bærum. For selected cases, local outdoor temperature near the building, Tout, is also analysed. The study further investigates relationships between ΔT, global horizontal irradiance, GHI, wind speed and elevation above sea level. The analyses were carried out using statistical methods, regression analysis and visualisations developed in Python. In addition, simplified IDA ICE simulations were performed to assess how higher temperature at the ventilation intake can affect energy demand and the load on the ventilation system. The results show clear differences between the case buildings. Both positive and negative temperature deviations between Tinlet and Tmet were observed. Grindbakken skole generally showed negative ΔT values, while Elvebakken VGS mainly showed positive temperature deviations. These differences can partly be explained by elevation relative to the Blindern reference station, as Grindbakken is located considerably higher and Elvebakken considerably lower. However, the analysis also indicates that elevation alone cannot explain all of the variation, as local conditions around the buildings and ventilation intakes also appear to be important. A clear direct solar effect on the air intakes could not be demonstrated in the analysis, which may be because the intakes do not appear to be south-facing, or because the temperature sensors are shielded inside the intake ducts. Bentsebrua skole showed good agreement between Tinlet and Tmet. The results also show that the temperature deviations vary over time and are influenced by both local and meteorological conditions. The analyses showed a tendency towards lower ΔT with increasing GHI for several of the case buildings, while the relationship with wind speed was weaker and more variable. The regression analyses showed that GHI and wind explain part of the variation in ΔT, but not all of it. The analysis of elevation above sea level showed a clear negative relationship between elevation and mean ΔT for the Oslo buildings. This suggests that elevation differences relative to the reference station can contribute to systematic temperature deviations, while local microclimatic conditions also play an important role. The simulations were carried out as a simplified sensitivity analysis in which the temperature of the ventilation air was increased by +3 °C and +5 °C throughout the year. The temperature increases should therefore not be interpreted as a direct representation of elevation differences, urban heat island effects or a complete future climate scenario, but as idealised cases used to investigate how higher temperature at the ventilation intake affects the air handling unit. The simulation results showed that higher temperature at the ventilation intake can significantly increase the cooling demand in the air handling unit. AHU cooling increased from approximately 21,700 kWh in the reference scenario to approximately 48,200 kWh in the scenario with a +5 °C temperature increase at the ventilation intake. The maximum AHU cooling load increased from 11.8 kW to 19.6 kW. Zone cooling changed only slightly, indicating that the temperature increase mainly affected the ventilation air and the load on the air handling unit. Overall, the study shows that standard meteorological data do not always represent the temperature conditions at ventilation air intakes. Local microclimatic conditions, elevation above sea level and building location can lead to systematic deviations between Tinlet and Tmet. This means that standard climate data should be used with caution when assessing energy demand, cooling demand and sizing of ventilation systems. The findings suggest that locally measured temperature data at ventilation air intakes can provide a more representative basis than meteorological reference data alone.
Norsk sammendrag: Temperatur ved ventilasjonsinntak kan påvirkes av lokale mikroklimatiske forhold rundt bygninger. Dette kan føre til avvik mellom meteorologiske referansedata og den faktiske temperaturen på luften som trekkes inn i ventilasjonssystemet. Siden meteorologiske klimadata ofte brukes som grunnlag for energiberegninger, dimensjonering og drift av ventilasjons- og kjølesystemer, kan slike avvik ha praktisk betydning. Denne studien undersøker temperaturavvik, ΔT, mellom ventilasjonsinntakstemperatur, Tinlet, og meteorologisk referansetemperatur, Tmet, for eksisterende bygninger i Norge. Datagrunnlaget består hovedsakelig av skolebygg i Oslo, samt enkelte bygg i Trondheim og Bærum. For utvalgte bygg er også lokal utetemperatur ved bygningen, Tout, analysert. Videre undersøkes sammenhenger mellom ΔT, global horisontal solinnstråling, GHI, vindhastighet og høyde over havet, moh. Analysene er gjennomført med statistiske metoder, regresjonsanalyse og visualiseringer i Python. I tillegg er det gjennomført forenklede IDA ICE-simuleringer for å vurdere hvordan høyere temperatur ved ventilasjonsinntaket kan påvirke energibehov og belastning på ventilasjonssystemet. Resultatene viser tydelige forskjeller mellom case-byggene. Både positive og negative temperaturavvik mellom Tinlet og Tmet ble observert. Grindbakken skole hadde gjennomgående negative ΔT-verdier, mens Elvebakken VGS hovedsakelig hadde positive temperaturavvik. Forskjellene kan delvis forklares av moh i forhold til referansestasjonen Blindern, der Grindbakken ligger betydelig høyere og Elvebakken betydelig lavere. Analysen tyder samtidig på at høyde alene ikke forklarer hele variasjonen, ettersom lokale forhold rundt bygningene og ventilasjonsinntakene også ser ut til å ha betydning. En direkte solpåvirkning på luftinntakene kunne ikke påvises tydelig i analysen, noe som kan skyldes at inntakene ikke ser ut til å være sørvendte, eller at temperaturfølerne er skjermet inne i inntakskanalene. Bentsebrua skole viste generelt godt samsvar mellom Tinlet og Tmet. Resultatene viser også at temperaturavvikene varierer over tid og påvirkes av både lokale og meteorologiske forhold. Analysene viste en tendens til lavere ΔT ved økende GHI for flere av case-byggene, mens sammenhengen med vindhastighet var svakere og mer variabel. Regresjonsanalysene viste at GHI og vind forklarer deler av variasjonen i ΔT, men ikke hele variasjonen. Analysen av moh viste en tydelig negativ sammenheng mellom moh og gjennomsnittlig ΔT for Oslo-byggene. Dette tyder på at høydeforskjeller mot referansestasjonen kan bidra til systematiske temperaturavvik, samtidig som lokale mikroklimatiske forhold også har betydning. Simuleringene ble gjennomført som en forenklet sensitivitetsanalyse der temperaturen på ventilasjonsluften ble økt med +3 °C og +5 °C gjennom hele året. Temperaturpåslagene skal derfor ikke tolkes som en direkte representasjon av høydeforskjeller, urban heat island-effekt, UHI, eller et fullstendig fremtidig klimascenario, men som idealiserte tilfeller for å undersøke hvordan høyere temperatur ved ventilasjonsinntaket påvirker ventilasjonsaggregatet. Simuleringsresultatene viste at høyere temperatur ved ventilasjonsinntaket kan gi betydelig økt kjølebehov i ventilasjonsaggregatet. AHU-kjølingen økte fra omtrent 21 700 kWh i referansescenarioet til omtrent 48 200 kWh i scenarioet med +5 °C temperaturpåslag. Maksimal AHU-kjøleeffekt økte fra 11,8 kW til 19,6 kW. Sonekjølingen endret seg lite, noe som viser at temperaturpåslaget hovedsakelig påvirket ventilasjonsluften og belastningen på ventilasjonsaggregatet. Samlet viser studien at standard meteorologiske data ikke alltid representerer temperaturforholdene ved ventilasjonsinntak. Lokale mikroklimatiske forhold, moh og plassering av bygningen kan gi systematiske avvik mellom Tinlet og Tmet. Dette betyr at standard klimadata bør brukes med forsiktighet ved vurdering av energibehov, kjølebehov og dimensjonering av ventilasjonssystemer. Funnene tyder på at lokalt målte temperaturdata ved ventilasjonsinntak kan gi et mer representativt grunnlag enn meteorologiske referansedata alene.
Supervisor(s): Peter G. SCHILD (OsloMet); Hicham JOHRA (SINTEF).
Acknowledgements: SINTEF Community, OsloBygg (Mehrdad Rabani).
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5552486

Summary: This master’s thesis investigates how free cooling can be defined, categorized and evaluated as a cooling strategy for non-residential buildings in a Norwegian climate. The study is motivated by the increasing cooling demand in modern buildings, caused by higher internal heat gains, larger glazed areas, airtight building envelopes and expected climate change. At the same time, stricter energy performance requirements increase the need for efficient technical systems and reduced delivered energy. In this context, free cooling is a relevant method, as natural cooling sources such as outdoor air, ground, groundwater, seawater, lake water and river water can be used to reduce the need for conventional mechanical cooling. The thesis is based on a combination of literature review and simulation-based analysis. The literature review is used to clarify the concept of free cooling, distinguish it from passive cooling and conventional mechanical cooling, and identify relevant technical solutions and documented performance data. The solutions considered include direct and indirect air-side free cooling, dry coolers, borehole systems, groundwater, seawater, lake water and river water. In addition, simulations of a representative office/non-residential building were carried out in SIMIEN and IDA ICE to assess how different free cooling solutions can be represented in simulation tools commonly used in Norwegian building design practice. The results show that free cooling has significant energy-saving potential in a Norwegian climate, particularly when the cooling source has a low and stable temperature throughout the cooling season. In SIMIEN, the gross cooling demand was calculated to be 14,934 kWh/year for all scenarios, while the delivered energy for cooling varied between 377 and 550 kWh/year. This resulted in calculated SPF values ranging from 27.2 for river water to 39.6 for seawater. In IDA ICE, the water-based solutions generally achieved higher calculated performance, with SPF values between 42.4 and 47.6 for river water, seawater, groundwater and lake water. Lake water, groundwater and seawater performed best in IDA ICE, while river water showed somewhat lower performance due to greater seasonal variation in source temperature. The comparison between SIMIEN and IDA ICE shows that the choice of simulation tool has a significant impact on how free cooling is evaluated. SIMIEN is suitable for overall energy calculations and early-phase assessments but has limited ability to model free cooling as a separate dynamic operating mode. IDA ICE provides greater flexibility and better opportunities to analyze hourly variations, control strategies, source temperatures and auxiliary energy for pumps and fans. However, IDA ICE also requires more detailed input data, making the results more sensitive to modelling assumptions. The study also shows that source temperature alone is not sufficient when evaluating a free cooling system. The real system performance depends strongly on pump energy, fan energy, heat exchangers, temperature differences, operating hours and system design. This was particularly evident for borehole systems, which achieved high performance in SIMIEN but a significantly lower SPF in IDA ICE due to high pump energy in the modelled system. This does not necessarily imply that boreholes are unsuitable for free cooling but demonstrates that hydraulic design and auxiliary energy must be carefully considered when assessing such systems. The main conclusion is that free cooling can be a highly energy-efficient cooling strategy for non-residential buildings in a Norwegian climate, especially where stable low-temperature sources such as seawater, groundwater or lake water are available. To compare different solutions reliably, the concept of free cooling must be clearly defined, system boundaries must be described, and auxiliary energy must be included in the calculations. SIMIEN can be used for simplified early-phase assessments, while IDA ICE is better suited for more detailed analyses of dynamic operation and system performance. Nevertheless, the results should be interpreted as conceptual and indicative, and actual projects require site-specific assessments of climate, cooling source, system design and operation.
Norsk sammendrag: Denne masteroppgaven undersøker hvordan frikjøling kan defineres, kategoriseres og vurderes som kjølestrategi for yrkesbygg i norsk klima. Bakgrunnen for studien er at kjølebehovet i moderne bygg øker som følge av høyere interne varmelaster, større glassarealer, tettere bygningskropper og forventede klimaendringer. Samtidig stilles det stadig strengere krav til energieffektive tekniske systemer og redusert levert energi i bygg. I denne sammenhengen fremstår frikjøling som en relevant løsning, ettersom naturlige kjølekilder som uteluft, grunn, grunnvann, sjøvann, innsjøvann og elvevann kan utnyttes til å redusere behovet for tradisjonell mekanisk kjøling. Oppgaven er gjennomført som en kombinasjon av litteraturstudie og simuleringsbasert analyse. Litteraturstudien er brukt til å avklare begrepet frikjøling, skille frikjøling fra passiv kjøling, hybrid kjøling og konvensjonell mekanisk kjøling, samt kartlegge aktuelle tekniske løsninger og dokumenterte ytelsesdata. De analyserte løsningene omfatter direkte og indirekte luftbasert frikjøling, tørrkjøling, energibrønner, grunnvann, sjøvann, innsjøvann og elvevann. Videre er det gjennomført simuleringer av et representativt kontorbygg/yrkesbygg i SIMIEN og IDA ICE for å undersøke hvordan ulike frikjølingsløsninger kan representeres i vanlige simuleringsverktøy i norsk prosjekteringspraksis. Resultatene viser at frikjøling har et betydelig potensial i norsk klima, særlig når kjølekilden har lav og stabil temperatur gjennom kjølesesongen. I SIMIEN ble brutto kjølebehov beregnet til 14 934 kWh/år for alle scenarioene, mens tilført energi til kjøling varierte mellom 377 og 550 kWh/år. Dette ga beregnede SPF-verdier fra 27,2 for elvevann til 39,6 for sjøvann. I IDA ICE ga de vannbaserte løsningene generelt høyere beregnet ytelse, med SPF-verdier mellom 42,4 og 47,6 for elvevann, sjøvann, grunnvann og innsjøvann. Innsjøvann, grunnvann og sjøvann kom best ut i IDA ICE, mens elvevann hadde noe lavere ytelse på grunn av større sesongvariasjon i kildetemperatur. Sammenligningen mellom SIMIEN og IDA ICE viser at valg av simuleringsverktøy har stor betydning for hvordan frikjøling vurderes. SIMIEN er best egnet til overordnede energiberegninger og tidligfasevurderinger, men har begrensede muligheter til å modellere frikjøling som en egen dynamisk driftstilstand. IDA ICE gir større fleksibilitet og bedre mulighet til å analysere timevis variasjoner, styringsstrategier, kildetemperaturer og hjelpeenergi til pumper og vifter. Samtidig krever IDA ICE flere detaljerte inndata, og resultatene blir derfor mer følsomme for modellforutsetninger. Studien viser også at kildetemperatur alene ikke er tilstrekkelig for å vurdere en frikjølingsløsning. Reell systemytelse avhenger i stor grad av pumpeenergi, vifteenergi, varmevekslere, temperaturdifferanser, driftstid og systemutforming. Dette kom særlig tydelig frem for energibrønner, som fikk høy ytelse i SIMIEN, men lavere SPF i IDA ICE på grunn av høy registrert pumpeenergi i den modellerte løsningen. Resultatet viser ikke nødvendigvis at energibrønner er lite egnet til frikjøling, men at modellering av hydraulisk oppbygning og hjelpeenergi er avgjørende for vurderingen. Hovedkonklusjonen er at frikjøling kan være en svært energieffektiv kjølemetode for yrkesbygg i norsk klima, spesielt der stabile lavtemperaturkilder som sjøvann, grunnvann eller innsjøvann er tilgjengelige. For å kunne sammenligne løsninger på en pålitelig måte må begrepet frikjøling defineres tydelig, systemgrenser må beskrives, og hjelpeenergi må inkluderes i beregningen. SIMIEN kan brukes til forenklede tidligfasevurderinger, mens IDA ICE er bedre egnet til mer detaljerte analyser av dynamisk drift og systemytelse. Resultatene bør likevel tolkes som konseptuelle og veiledende, og konkrete prosjekter krever stedsspesifikke vurderinger av klima, kjølekilde, systemdesign og drift.
Supervisor(s): Peter G. SCHILD (OsloMet).
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5551746

Summary: Hydronic underfloor heating is one of the most widely used heating technologies in Norwegian buildings and forms part of several low-temperature (LowEx) energy concepts. When the driving temperature difference between water and room air is reduced to a few kelvin, sensitivity grows to parameters such as surface resistance, lateral heat conduction in the spreader plate (the fin effect) and contact resistance between pipe and conductive layer. The precision demand on design tools is correspondingly sharpened. In this thesis, I validate the spreadsheet tool LowExCalc, developed by Peter G. Schild at SINTEF/OsloMet, against the two-dimensional finite-element program THERM 7.8 (Lawrence Berkeley National Laboratory). The comparison is made on a linear two-dimensional heat transmittance per metre of pipe length (L2D) [W/(m·K)] from water to room air. Three construction models are covered: two timber-joist models with aluminium spreader plate at c/c = 300 mm (Trebjelkelag-150) and c/c = 200 mm (Trebjelkelag-100), and one cast model with pipes in homogeneous screed at c/c = 300 mm (Betonggulv). The number in the Trebjelkelag names denotes the half-symmetry width b/2 in mm, so c/c = 200 mm gives the name Trebjelkelag-100. Each model is run across nine LowExCalc scenarios for the contact resistance between pipe and filler material. The study is a tool-to-tool validation.
Three research questions (RQ1–RQ3) are answered:
RQ1 establishes THERM as a reliable reference model. The heat-flow convergence test between strict mesh (QTMP = 3, EEN ≤ 1.02 %) and THERM default mesh (QTMP = 6, EEN ∼ 7–10 %) gives relative changes of at most 0.887 % for Betonggulv, 0.371 % for Trebjelkelag-150 and 0.364 % for Trebjelkelag-100. All values fall below the 1 % threshold in EN ISO 10211 §7.2.7. THERM default mesh is therefore sufficient for L2D in these constructions.
RQ2 compares LowExCalc and THERM across construction types. For the ideal-case scenarios (Rcontact = 0), the deviation (L2D,THERM − L2D,LXC)/L2D,LXC is −2.31 % for Trebjelkelag-150, −3.54 % for Trebjelkelag-100 and −4.49 % for Betonggulv (the Eqn. 1 scenario). The upward heat-flow fraction is 93.3 % for the Trebjelkelag models and 74.8 % for Betonggulv. On the upward fraction, the tool-to-tool deviation is 0.20–0.21 percentage points for the Trebjelkelag models and 0.75 percentage points for Betonggulv.
RQ3 tests the comparison across installation scenarios. The ideal-case scenarios match best for the Trebjelkelag models. For Betonggulv, “Tube embedded directly in filler layer (Eqn. 1)” is closest. Scenarios with high contact resistance give deviations of 40–60 % for the Trebjelkelag models and up to 150 % for Betonggulv. In those scenarios, LowExCalc models an LMTD-coupled mechanism that THERM’s fixed geometry cannot reproduce.
The main finding is that LowExCalc and THERM agree on L2D for practical LowEx constructions. The observed deviations have physical explanations. In lightweight constructions with tight pipe spacing, the analytical fin model weakens. In massive constructions, LowExCalc lacks a lateral exchange term. A third independent method, the classical Faxén solution, gives the same upward fraction for Betonggulv as THERM and LowExCalc: Faxén 75.6 %, THERM 74.8 % and LowExCalc 74.0 %. The distribution predicted by both tools is therefore physically correct. The results give designers a numerical basis for tool selection. In the ideal-case scenarios, LowExCalc is close enough to THERM that the design phase can rely on LowExCalc alone. In scenarios with high contact resistance, the two tools diverge fundamentally, and THERM or empirical verification is required. The results also provide the further development of LowExCalc with calibration figures against an established 2D FEM tool. Three lines of further work are proposed: empirical validation against measurements, implementation of Karpiesiuk’s corrected NT VVS 127 formula, and extension to varying spreader-plate coverage and U-shape geometry.
Norsk sammendrag: Vannbåren gulvvarme er en av de mest brukte oppvarmingsteknologiene i norske bygg og inngår i flere lavtemperaturenergikonsepter (LowEx). Når drivkraften mellom vann og rom reduseres til et fåtall kelvin, forsterkes følsomheten for parametere som overflatemotstand, lateral varmeledning i fordelingsplaten (finne-effekt) og kontaktmotstand mellom rør og varmeledende sjikt. Presisjonskravet til prosjekteringsverktøy vil også skjerpes tilsvarende. I denne oppgaven validerer jeg regnearkverktøyet LowExCalc, utviklet av Peter G. Schild ved SINTEF/OsloMet, mot det todimensjonale FEM-programmet THERM 7.8 (Lawrence Berkeley National Laboratory). Sammenligningen gjøres på en lineær to-dimensjonal varmegjennomgang per meter rørlengde (L2D) [W/(m·K)] fra vann til romluft. Tre konstruksjonsmodeller dekkes: to trebjelkelagmodeller med aluminium-fordelingsplate ved røravstand c/c = 300 mm (Trebjelkelag-150) og c/c = 200 mm (Trebjelkelag-100), og en støpt modell med rør i homogen påstøp, c/c = 300 mm (Betonggulv). Tallet i trebjelkelag-navnene er halvsymmetri-bredden b/2 i mm, slik at c/c = 200 mm gir navnet Trebjelkelag-100. Hver modell er kjørt over ni LowExCalc-scenarier for kontaktmotstand mellom rør og fyllmateriale. Studien er en verktøy-mot-verktøy-validering.
Tre forskningsspørsmål (F1–F3) besvares:
F1 etablerer THERM som pålitelig referansemodell. Heat Flow-testen mellom streng mesh (QTMP = 3, EEN ≤ 1,02 %) og THERMs standard-mesh (QTMP = 6, EEN ∼ 7–10 %) gir relative endringer på maks 0,887 % for Betonggulv, 0,371 % for Trebjelkelag-150 og 0,364 % for Trebjelkelag-100. Alle ligger under 1 %-grensen i NS-EN ISO 10211 §7.2.7. THERMs standard-mesh er dermed tilstrekkelig for L2D i disse konstruksjonene.
F2 sammenligner LowExCalc og THERM på tvers av konstruksjonstyper. For idealcase-scenariene (Rkontakt = 0) er avviket (L2D,THERM − L2D,LXC)/L2D,LXC målt til −2,31 % for Trebjelkelag-150, −3,54 % for Trebjelkelag-100 og −4,49 % for Betonggulv (Eqn. 1-scenariet). Andelen oppadgående varmestrøm er 93,3 % for trebjelkelagene og 74,8 % for Betonggulv. På andelen oppadgående er avviket mellom verktøyene 0,20–0,21 prosentpoeng for trebjelkelagene og 0,75 prosentpoeng for Betonggulv.
F3 prøver sammenligningen over ulike installasjonsscenarier. Idealcase-scenariene treffer best for trebjelkelagene. For Betonggulv er «Tube embedded directly in filler layer (Eqn. 1)» nærmest. Scenarier med høy kontaktmotstand gir avvik på 40–60 % for trebjelkelagene og opp mot 150 % for Betonggulv. I disse scenariene modellerer LowExCalc en LMTD-koblet mekanisme som THERMs faste geometri ikke kan reprodusere.
Hovedfunnet er at LowExCalc og THERM samsvarer på L2D for praktiske LowEx-konstruksjoner. Avvikene som finnes har fysiske forklaringer. I lette konstruksjoner med tett c/c svekkes finne-modellen. I massive konstruksjoner mangler LowExCalc et lateralt utvekslingsledd. En tredje uavhengig metode, den klassiske Faxén-løsningen, gir samme fordeling oppadgående for Betonggulv som THERM og LowExCalc: Faxén 75,6 %, THERM 74,8 % og LowExCalc 74,0 %. Verktøyenes fordeling er dermed fysisk korrekt. Resultatene gir prosjekterende et tallgrunnlag. I idealcase-scenariene er LowExCalc nær nok THERM til at prosjekteringsfasen kan kjøre på LowExCalc alene. Ved scenarier med høy kontaktmotstand spriker verktøyene fundamentalt, og THERM eller empirisk verifikasjon må til. Resultatene gir også den videre utviklingen av LowExCalc kalibreringstall mot et etablert 2D FEM-verktøy. Som videre arbeid foreslås tre spor: empirisk validering mot målinger, implementering av Karpiesiuks korrigerte NT VVS 127-formel, og utvidelse til varierende dekningsgrad og U-form-geometri.
Supervisor(s): Peter G. SCHILD (OsloMet).
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5552282

Summary: The building and construction sector accounts for a substantial share of greenhouse gas (GHG) emissions, both globally and nationally. Through the Paris Agreement and the Climate Change Act, Norway has committed to ambitious emission reductions. Although GHG emissions from buildings receive increasing attention, the level of knowledge is unevenly distributed across the various technical systems in a building. Building automation systems are one example of a technical system whose emissions have been mapped only to a limited extent. This study therefore examines how the norwegian standard NS 3720:2018 can be applied to GHG accounting for a building automation system in an office building in operation, and which challenges contribute to uncertainty in the results. The aim is to improve the knowledge base regarding GHG emissions from building automation systems. The study is structured around four research questions and combines a systematic literature review, a review of relevant standards, industry input, and an empirical case study of the office building KA13 in Oslo. The literature review was conducted systematically and supplemented with AI-assisted snowballing. Since neither standards nor the literature provide a defined system boundary for building automation systems, a dedicated set of criteria (K1–K5), illustrated in a flowchart, was developed to determine which components and which cabling to include. The automation system at KA13 was then mapped using FM (operation and maintenance) documentation, the building management system, and a physical site survey. A GHG calculation was carried out in accordance with NS 3720:2018 for modules A1–A3, A4, A5, B4, B6, and C1–C4, with module D reported separately. The literature review resulted in seven included studies, and the field appears immature. None of the identified empirical studies define an explicit and justified system boundary for the automation system. For KA13, the embodied emissions were 40 827 kg CO₂-eq, corresponding to 8.57 kg CO₂– eq/m² GFA (gross floor area). Module B4 (replacement) dominates and accounts for approximately 80 % of the embodied emissions. Operational energy (B6) varies substantially with the chosen energy mix, ranging from 3 379 to 25 533 kg CO₂-eq. The study concludes that NS 3720:2018 can be applied to a building automation system, but only when supplemented with the study’s own methodological choices for system boundary and mapping. The result is not a single figure, but depends on the system boundary, service-life assumptions, and energy mix. The greatest uncertainties relate to component service life and to an insufficient data basis, where only 13 of 83 products at KA13 had a product-specific EPD. Based on the study’s findings, recommendations for further work are provided. These are categorised into three groups: recommendations relating to system boundary, to allocation, and to the data basis. It is recommended that the criteria set for determining the system boundary be further developed and tested on additional case buildings. It is recommended that an interface matrix with a dedicated column for LCA allocation be trialled as a complement to the criteria set. It is recommended that further work prioritise establishing a realistic service-life table (ESL) for automation components, rather than more precise mapping of cabling, since service life affects the result far more than cable quantity.
Norsk sammendrag: Bygg- og anleggssektoren står for en betydelig andel av klimagassutslippene både globalt og nasjonalt. Samtidig har Norge gjennom Parisavtalen og Klimaloven forpliktet seg til ambisiøse utslippskutt. Selv om klimagassutslipp fra bygg får økende oppmerksomhet, er kunnskapsnivået ujevnt fordelt mellom de ulike tekniske systemene i et bygg. Automatiseringsanlegg er et eksempel på et teknisk system der utslippene i liten grad er kartlagt, og denne studien undersøker derfor hvordan NS 3720:2018 kan anvendes for klimagassberegning av et automatiseringsanlegg i et kontorbygg i drift, samt hvilke utfordringer som bidrar til usikkerhet i resultatene. Formålet er å øke kunnskapsnivået om klimagassutslipp fra automatiseringsanlegg. Studien er bygget opp rundt fire forskningsspørsmål og kombinerer en systematisk litteraturstudie, en standardgjennomgang, bransjeinnsikt og en empirisk casestudie av kontorbygget KA13 i Oslo. Litteraturstudien ble gjennomført systematisk og supplert med KI-basert snowballing. Ettersom verken standardverk eller litteratur gir en definert systemgrense for automatiseringsanlegg, ble det utviklet et eget kriteriesett (K1–K5), illustrert i et flytdiagram, for å avgjøre hvilke komponenter og hvilken kabling som inngår. Automatiseringsanlegget på KA13 ble deretter kartlagt ved hjelp av FDVdokumentasjon, SD-anlegget og fysisk befaring, og det ble gjennomført en klimagassberegning etter NS 3720:2018 for modulene A1–A3, A4, A5, B4, B6 og C1–C4, med modul D rapportert separat. Litteraturstudien endte med syv inkluderte studier, og feltet fremstår som umodent. Ingen av de identifiserte empiriske studiene definerer en eksplisitt og begrunnet systemgrense for automatiseringsanlegget. For KA13 ble de bundne utslippene 40 827 kg CO₂-ekv, tilsvarende 8,57 kg CO₂-ekv/m² BRA. Modul B4 (utskifting) dominerer og utgjør om lag 80 % av de bundne utslippene. Driftsenergi (B6) varierer betydelig med valgt energimiks, fra 3 379 til 25 533 kg CO₂-ekv. Studien konkluderer med at NS 3720:2018 kan anvendes på et automatiseringsanlegg, men kun supplert med egne metodiske valg for systemgrense og kartlegging. Resultatet er ikke ett enkelt tall, men avhenger av systemgrense, levetidsantakelser og energimiks. De største usikkerhetene er knyttet til komponentenes levetid og til et mangelfullt datagrunnlag, der kun 13 av 83 produkter på KA13 hadde produktspesifikk EPD. videre arbeid på feltet. På bakgrunn av studiens funn er det gitt anbefalinger for videre arbeid. Disse kategoriseres i tre grupper: anbefalinger knyttet til systemgrense, til allokering og til datagrunnlag. Det er anbefalt å videreutvikle og teste kriteriesettet for fastsettelse av systemgrense på flere casebygninger. Det er anbefalt å prøve ut en grensesnittmatrise med egen kolonne for LCA-allokering som et komplement til kriteriesettet. Det er anbefalt at videre arbeid prioriterer å etablere en reell levetidstabell (ESL) for automatiseringskomponenter, framfor mer presis kartlegging av kabling, ettersom levetid påvirker resultatet langt mer enn kabelmengde.
Supervisor(s): Peter G. SCHILD (OsloMet).
Acknowledgements: Entra Eiendom.
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5554021

Summary: The EU F-gas Regulation and the shift toward natural refrigerants have established transcritical CO₂ heat pumps (R744) as a key technology in modern residential and non-residential buildings, particularly in combined residential and commercial buildings where the temperature glide in the gas cooler can be exploited for the simultaneous production of domestic hot water and space heating. Despite two decades of commercial operation, field-based documentation of real-world performance in Norwegian installations remains limited, and the literature is dominated by laboratory data and idealised simulations. This thesis analyses the performance of an operational transcritical CO₂ heat pump installation at the former Kongensgate School in Kristiansand. The installation is of particular interest because it employs a three-pipe system in which all heat is delivered as domestic hot water, in contrast to the alternative multi-stream model developed by Stene (2004) with three gas cooler levels. The heat pump achieves a high coverage of the building’s heating demand throughout the year, while district heating is used only for backup and peak load. In practice, the building has minimal reliance on grid-based peak load to cover the base load. This thesis answers four research questions concerning COP and SPF compared to the literature, the localisation of thermodynamic losses and improvement potential, the realised share of the Lorentzen potential, and the suitability of the simplified distribution architecture. The analysis is based on carefully selected days and seasons from six years of operational data, retrieved from the installation’s energy monitoring system (EOS) and supplemented by internal log data from the heat pump. Two design days, one for winter and one for summer, are selected for detailed process analysis through systematic filtering of extreme operating points. Methodologically, the study combines thermodynamic process analysis based on P-h and T-s diagrams, exergy analysis, and Lorentzen efficiency, and the calculations are performed in Python using the CoolProp library. Under design winter conditions, the installation achieves a COP of 3.08 and an SPF of 2.91, while summer operation yields a COP of 3.14 and an SPF of 3.13. These values fall within the range reported by Stene (2008) for CO₂ heat pumps in combined operation (SPF 2.5–3.5), where high return temperatures and hydraulic conditions limit performance. The exergy analysis identifies the expansion valve as the dominant source of losses in both seasons, accounting for 50% of total losses in winter (11,775 W) and 43% in summer (11,723 W). The total losses are nearly identical for the two seasons despite the compressor performing considerably less work in summer. The difference is explained by season-dependent volumetric efficiencies (η_vol = 0.917 in winter and 0.785 in summer). The Lorentzen efficiency is 45.9% in winter and 35.0% in summer. The winter result exceeds the 32–43% documented by Stene (2004) for his laboratory prototype with a tripartite gas cooler under optimised conditions, indicating that the three-pipe architecture combined with effective control logic realises a higher thermodynamic potential than classical theory predicts. The lower summer value is due to frequent start/stop operation, where a low heat demand relative to the installed capacity of 80 kW prevents the installation from stabilising between operating cycles. High-pressure control is identified as the most relevant operational improvement measure, since the installation consistently operates above the theoretically optimal pressure calculated from Chen and Gu (2005), particularly at low return temperatures, and a dynamic control strategy could potentially yield a measurable COP improvement without physical modifications. The study contributes field-based documentation of a little-studied distribution architecture under real Norwegian operating conditions and demonstrates that a simplified hydraulic solution can achieve high coverage and good thermodynamic efficiency in a combined residential and commercial building. The fact that the winter Lorentzen efficiency exceeds established laboratory references, together with the application of the Lorentzen methodology to operational field data rather than laboratory data, constitutes both a substantive and a methodological contribution to the literature.
Norsk sammendrag: EUs F-gassforordning og skiftet mot naturlige kuldemedier har gjort transkritiske CO₂-varmepumper (R744) til en sentral teknologi i moderne yrkesbygg, særlig i kombinerte bolig- og næringsbygg der temperaturglidningen i gasskjøleren utnyttes til samtidig produksjon av varmt tappevann og romoppvarming. Til tross for to tiår med kommersiell drift er feltbasert dokumentasjon av reell ytelse i norske anlegg fortsatt begrenset, og litteraturen domineres av laboratoriedata og idealiserte simuleringer. Denne oppgaven analyserer ytelsen til et operativt transkritisk CO₂-varmepumpeanlegg ved gamle Kongensgate skole i Kristiansand. Anlegget er av særlig interesse fordi det benytter et 3-rørsystem der all varme leveres som varmt tappevann, i motsetning til den alternative flerstrømsmodellen utviklet av Stene (2004) med 3 nivåer av gasskjølere. Varmepumpen evner høy dekningsgrad av byggets varmebehov gjennom hele året, mens fjernvarme kun benyttes som reserve- og spisslast. Bygget er i praksis lite avhengig av nettbasert spisslast for å dekke grunnlasten. Oppgaven besvarer fire forskningsspørsmål om COP og SPF mot litteraturen, lokalisering av termodynamiske tap og forbedringspotensial, realisert andel av Lorentzen-potensialet, og egnetheten av den forenklede distribusjonsarkitekturen. Analysen baserer seg på nøye utvalgte dager og sesonger fra seks års driftsdata, hentet fra anleggets energiovervåkingssystem (EOS) og supplert med interne loggdata fra varmepumpen. To dimensjonerende døgn, ett for vinter og ett for sommer, er valgt ut for detaljert prosessanalyse gjennom systematisk filtrering av ytterpunkter. Metodisk kombineres termodynamisk prosessanalyse basert på Ph- og Ts-diagrammer, eksergianalyse og Lorentzen-virkningsgrad, og beregningene er gjennomført i Python med biblioteket CoolProp. Under dimensjonerende vinterforhold oppnår anlegget COP 3,08 og SPF 2,91, mens sommerdriften gir COP 3,14 og SPF 3,13. Verdiene plasserer seg innenfor Stene (2008) sitt rapporterte intervall for CO₂-varmepumper i kombinert drift (SPF 2,5–3,5), der høy returtemperatur og hydrauliske forhold begrenser ytelsen. Eksergianalysen identifiserer ekspansjonsventilen som dominerende kilde til tap i begge sesonger, med 50 % av totaltapet om vinteren (11 775 W) og 43 % om sommeren (11 723 W). De samlede tapene er tilnærmet like for begge sesonger til tross for at kompressoren gjør betydelig mindre arbeid om sommeren. Forskjellen forklares av sesongavhengige volumetriske virkningsgrader (η_vol = 0,917 om vinteren og 0,785 om sommeren). Lorentzen-effektiviteten er 45,9 % om vinteren og 35,0 % om sommeren. Vinterresultatet overgår de 32–43 % Stene (2004) dokumenterte for sin laboratorieprototype med tredelt gasskjøler under optimerte betingelser, og tyder på at 3-rørsarkitekturen kombinert med god styringslogikk realiserer et høyere termodynamisk potensial enn klassisk teori predikerer. Den lavere sommerverdien skyldes hyppig start/stopp-drift, der lavt varmebehov relativt til installert kapasitet på 80 kW gjør at anlegget ikke rekker å stabilisere seg mellom driftssyklusene. Reguleringen av høytrykket peker seg ut som det mest aktuelle driftsforbedringstiltaket fordi anlegget konsekvent opererer over det teoretisk optimale trykket beregnet fra Chen og Gu (2005), særlig ved lav returtemperatur, og en dynamisk kontrollstrategi vil potensielt gi målbar COP-forbedring uten fysiske inngrep. Studien bidrar med feltbasert dokumentasjon av en lite undersøkt distribusjonsarkitektur under reelle norske driftsforhold, og demonstrerer at en forenklet hydraulisk løsning kan oppnå høy dekningsgrad og god termodynamisk effektivitet i et kombinert bolig- og næringsbygg. At Lorentzen-virkningsgraden om vinteren overgår etablerte laboratoriereferanser, sammen med anvendelsen av Lorentzen-metodikken på operasjonelle feltdata fremfor laboratoriedata, utgjør et faglig og metodisk bidrag til litteraturen.
Supervisor(s): Rebecca ALLEN (OsloMet); Tor André MONAN (Nordic Heatsystems AS).
Acknowledgements: Nordic Heatsystems; Asplan Viak
.
Full text permalink: https://hdl.handle.net/11250/5552160