Optimale systemløsninger for ventilation og køling i kontorbygninger

Transkript

1 K o n t o r b y g g e r i Optimale systemløsninger for ventilation og køling i kontorbygninger Hvordan balancerer man mellem optimal life cycle cost, energiforbrug, fleksibilitet og indeklima i kontorbyggeri? Med udgangspunkt i konkrete eksempler diskuterer artiklen en række løsningsforslag Af Jesper Hofmann Larsen, teknisk konsulent, M.Sc., ClimateConsult A/S Kravene til energiforbruget i kontorbygninger er blevet skærpet flere gange over de seneste år, bl.a. i det nye bygningsreglement BR15, som trådte i kraft 1. januar 2016, DS 447:2013 Ventilation i bygninger og DS 469:2013 Varme- og køleanlæg i bygninger. De nye krav medfører, at den tilførte køleydelse til bygningen skal kunne reguleres efter behovet og dermed være variabel (VAV), så konstant luftmængde (CAV) er ikke tilladt mere, medmindre der også er regulering på vandet efter behov, som ved f.eks. kølebafler og fancoils. I flere byggeprojekter ses tillige, at der nogle gange stilles yderligere krav end ovenstående, f.eks. at den valgte systemløsning skal kunne opgraderes til senere at overholde højere energikrav, så bygningen er fremtidssikret bedst muligt. Her arbejdes ofte allerede med kommende 2020 krav. Ud fra disse skærpede krav anvendes normalt en af nedenstående tre systemløsninger: 1. Anvendelse af armaturer (VAV) : Her tilføres køleydelsen til bygningen med underkølet luft. Køleydelsen reguleres ved regulering af luftmængden. 2. Anvendelse af kølebafler (CAV): Her tilføres køleydelsen til bygningen med både underkølet luft og vand. Køleydelsen er typisk fordelt med 1/3 køleydelse på luftsiden og 2/3 køleydelse på vandsiden. Køleydelsen reguleres ved regulering af vandmængden. 3. Anvendelse af kølebafler (VAV) : Her tilføres køleydelsen til bygningen med både underafkølet luft og vand. Køleydelsen reguleres ved variation af både luft- og vandmængde og der anvendes altid mindst mulig luftmængde og størst mulig vandmængde. LCC (Life Cycle Cost) og energiforbrug Det er gennem en årrække blevet diskuteret, hvilken af de ovenstående løsninger der er den mest energioptimale løsning. Den kendte metode med armatur (VAV) kontra kølebafler (CAV), da der er større mulighed for frikøl på luften med armatur (VAV), mens kølebafler (CAV) giver mindre kondensafslag på kølefladen i ventilationsanlægget, da det er en mindre luftmængde. Når disse systemløsninger skal vurderes indbyrdes for at finde det mest optimale valg, kan der anvendes en livscyklus analyse, LCC. LCC beskriver en bygnings anlægs-, energi- og vedligeholdelsesomkostninger set over en periode, tilbageregnet til nutidsværdi ud fra en gældende markedsrente. I figur 1 er vist en LCC-beregning udført af det finske firma Granlund. Analysen er foretaget for en kontorbygning i London for henholdsvis armaturer (VAV) og kølebafler (CAV). LCC en er udført for en livscyklus på 20 år med en markedsrente på 4 procent. Input data for analysen: Figur 1. Bygning på 7 etager og i alt m² 390 medarbejdere Rumtemperatur sommer: 24 C Rumtemperatur vinter: 21 C Minimum friskluftsmængde: 2,0 l/s m² i kontorer og 4,0 l/s m² i møderum Udetilstand sommer: 28 C og 58 kj/kg Udetilstand vinter: -7 C Varme = 195 DKR/MWh El = 442 DKR/MWh Opvarmning sker med radiatorer LCC-analysen viser, at kølebafler (CAV) er mest fordelagtigt med henblik på de samlede omkostninger. Analysen er udført med volumenstrømsregulatorer og CAV-armaturer, men i Danmark anvendes primært motoriserede armaturer, som vil være en billigere løsning. Anlægsomkostningerne kan dermed altid diskuteres med hensyn til priser samt prisændringer, siden beregningen blev udført, men ClimateConsults erfaringer er, at anlægsomkostningerne omtrent er de samme for en løsning med fuld fleksibilitet med motoriserede armaturer (VAV) i forhold til kølebafler (CAV). Selvom anlægsomkostningerne er den samme, er LCC stadig mest fordelagtig ved kølebafler (CAV). Samlet set er løsningen med kølebafler (CAV) den mest optimale systemløsning med hensyn til LCC og energiforbrug, se specifikation i figur 2. I 2015 lancerede ClimateConsult en optimeret løsning med motoriserede kølebafler (VAV) med indbygget motor, der regulerer dyseåbningen, så der er fuldt lineær VAV på kølebaflens luftside. Dermed er fordelene ved både kølebafler og VAV kombineret til den helt optimale systemløsning. 48 vi forenkler byggeriet

2 Figur 2. For at understrege hvorledes energiforbruget optimeres ved anvendelse af kølebafler (VAV) i forhold til kølebafler (CAV), har Granlund foretaget energiberegninger, der sammenligner energiforbruget ved anvendelse af disse to løsninger. Beregningerne er foretaget ved 100 procent og 50 procent brugerbelastning i en referencebygning i Paris. Som det ses af figur 2 er energiforbruget som forventet mest optimalt ved kølebafler (VAV). Energiforbruget for bygningen ved 50 procent brugerbelastning er 25 procent lavere for kølebafler (VAV), sammenlignet med kølebafler (CAV). Størstedelen af reduktionen i energiforbruget skyldes, at den reducerede luftmængde resulterer i lavere el-forbrug. Eksempelvis er der en besparelse på over 50 procent på ventilatorens el-forbrug. Dermed kan bygningen fremstå mere grøn iht. LEED, BREAM og DGNB til fordel for både lejer og udlejer. Valg af optimal løsning med kølebafler (VAV): Der eksisterer fire forskellige VAV-systemløsninger inden for kølebafler (VAV) på det danske marked. Nedenfor er angivet en oversigt samt kommentarer for bedre overblik over fordele og ulemper. Der indgår motor i alle løsninger, så der vil reelt kun være en anskaffelsesbesparelse ved løsning 4, der er lidt billigere i indkøb. Løsning 1: Anvendelse af kølebafler med motoriserede dyser med pi-funktion (pressure independent): Fordelen ved at anvende kølebafler med motoriserede dyser med pi-funktion er, at luftmængden altid minimeres til den nødvendige luftmængde ud fra den fastlagte maksimale CO 2 -koncentration i rummet. Dermed reduceres luftmængden i en stor del af driftstiden, da et typisk storrumskontor oftest kun er minimalt belastet i store dele af brugstiden. Køleydelsen på vandsiden forøges således, at en større del end 2/3 af køleydelsen ligger på vandsiden. Anvendelse af mindst mulig luftmængde er også en fordel i opvarmningssituationen. Kølebaflen med motoriserede dyser er dynamisk, selvregulerende og regulerer luftmængden trykuafhængigt fra procent og ændringen i luftmængden sker lineært ved ændring af dysestørrelse/spaltebredden. Reguleringen foregår ved konstant tryktab og Coanda-effekten (strømning langs loftet) bibeholdes over hele reguleringsområdet. Dette sikrer, at komforten i rummet samt køleydelsen på vandsiden bibeholdes over hele reguleringsområdet. Figur vi forenkler byggeriet

3 Figur 4. Den maksimale lufthastighed i opholdszonen, som har direkte indflydelse på følelsen af træk, varierer dermed i hele reguleringsområdet og er altid mindst mulig i forhold til personbelastningen. Energiforbruget ved anvendelse af kølebafler med motoriserede dyser er helt optimalt, da der anvendes mindst mulig luftmængde og størst mulig vandmængde hele tiden for energioptimering. Der opnås størst mulig DT på vandsiden grundet anvendelse af kølebatteri i hele kølebaflens længde og kølebaflerne dimensioneres altid til maksimal luftmængde for rummet. Dermed er der altid mindst mulige vandmængder, hvilket har direkte indflydelse på dimensioner på vandrør og pumper. fel-delen og dermed maksimale lufthastigheder i rummet. Energiforbruget er samtidig højere sammenlignet med kølebafler med motoriserede dyser, grundet det indsnævrede reguleringsområde. Samtidig afkorter det ekstra VAV-indblæsningskammer kølebatteriet i kølebaflen og dermed opnås lavere DT på vandsiden og højere vandmængder. Begge parametre har negativ indflydelse på energiforbruget. Løsning 3: Kølebaffel (CAV) med VAV-spjæld på tilluftskanal: Kølebaflen udføres som CAV-version og luftmængden reguleres mellem procent ved anvendelse af en volumenstrømsregulator på tilluftskanalen. Tryktabet over kølebaflens dyser/spalte ændres dermed i takt med ændring af luftmængden (tryktabet og udløbshastigheden ændres i 2. potens med luftmængden) og dermed reduceres Coanda-effekten kraftigt. Dette betyder, at risikoen for, at den tilførte luftmængde dropper direkte ned i opholdszonen, med trækgener til følge, er meget stor. Ved fortsat reduktion af luftmængden, bliver den tilførte primærluft til sidst recirkuleret direkte i kølebaflens sekundære strømning gennem kølebatteriet, dvs. en kortslutning af tilluften For at modvirke dette bedst muligt styres regulering i frikølingssekvens, dvs. der er 100 procent lukket for kølevandet, inden der reguleres ned på luftmængden. Da køleydelsen på vandsiden udgør ca. 2/3 af den totale køleydelse for kølebaflen, vil variation af luftmængden reelt set først ske, når der ikke er behov for køling på vandsiden. Dermed træder VAV-reguleringen på volumenstrømsregulatoren først i kraft ved en meget lille rumbelastning og VAV-funktionen træder dermed sjældent i kraft og kun når kølehovet er under 1/3 af det maksimale kølebehov. Dermed skal man forvente maksimale lufthastigheder i rummet i stort set hele brugstiden og samtidig er der ikke særlige energibesparelser at hente ved denne form for regulering. Løsning 2: Kølebaffel (CAV) + ekstra VAV-indblæsningskammer: Kølebaflen udføres som CAV-version og har en konstant luftmængde, f.eks. 70 procent af den totale luftmængde. Via et ekstra VAV-indblæsningkammer tilføres de sidste 30 procent, som kan reguleres procent. Reguleringsområdet på luften er således kun procent afhængig af, om det ekstra VAV-indblæsningskammer er åbent eller lukket. Derfor vil der i hele brugstiden være maksimal luftmængde på kølebaf- Figur 5. Løsning 4: Kølebaffel (CAV) med PIR-styret on/off-spjæld på tilluftskanal: Kølebaflen udføres som CAV-version og luftmængden har en konstant luftmængde på 100 procent. Reguleringsområdet på luften er således enten 0 procent eller 100 procent, afhængig af om on/off-spjældet er åbent eller lukket. Der vil i hele brugstiden være maksimale lufthastigheder i opholdszonen og energiforbruget er væsentligt højere end løsning 1-3, da alle mellemliggende reguleringsmuligheder ikke er mulige. 52 vi forenkler byggeriet

4 Kravene til bygningens fleksibilitet er afgørende for valget, om der skal investeres i CAV eller VAV på kølebafler. I bygninger, hvor der er krav om høj fleksibilitet, vil det i mange tilfælde kræves, at der er mulighed for, at der kan etableres VAV-motorer på alle kølebafler, så eksempelvis møderum kan indrettes præcist, hvor i bygningen det ønskes. Nogle kontorbyggerier opføres allerede, inden alle etager er udlejet, så jo højere fleksibilitet jo bedre Øget fleksibilitet og forbedret indeklima Foruden lavt energiforbrug, stilles der i nutidens kontorbyggeri også større og større krav til bygningens fleksibilitet, da indretningen i særdeleshed afhænger af brugerens/lejerens ønsker. Typisk ændrer indretningen og kravene sig ved nye lejere og det kan skabe udfordringer. Foto venligst udlånt af Lintrup og Norgart. Frese SIGMA Compact Dynamisk strengreguleringsventil Sikrer enkel, præcis og pålidelig flowbegrænsning og afspærring i varme- og køleanlæg Nu fra DN15-DN150 Flow fra 40 l/h til l/h Let at dimensionere, installere og indregulere Kompakt størrelse med indbygget afspærring Reducerer antallet af ventiler i anlægget For mere information besøg vores hjemmeside 54

5 Figur 7. to situationer med 100 procent luftmængde og 50 procent luftmængde ved kastelængden L0,2 (0,20 m/s). og billigere, da placering af møderum og antal møderum mv. dermed ikke er kendt. Typisk er valget for kølebafler som nedenstående: Møderum: VAV Enkeltmandskontor med mødemulighed: CAV eller VAV Enkeltmandskontor, stillerum : CAV eller VAV Storrumskontor: CAV eller VAV Et af de seneste store byggerier i København, Copenhagen Tower, er et eksempel på, hvor stor fleksibilitet ClimateConsults nye kølebaffel, IQII, tilbyder. Kølebaflen udføres standard som en CAV-version, men er samtidig forberedt for VAV, så der efterfølgende kan monteres VAV-motor med pi-funktion. Copenhagen Tower er udlagt som CAV på alle kontoretager, hvorefter VAV i møderum kan eftermonteres, når lejerens indretningsønsker kendes. Dermed omdannes CAV-kølebafler til VAV-kølebafler altså en 100 procent fleksibel løsning, der giver besparelser, både økonomisk og tidsmæssigt. Foruden minimalt energiforbrug og øget fleksibilitet stilles der i nutidens kontorbyggeri også større og større krav til et optimalt indeklima, da brugertilfredsheden og produktiviteten er direkte afhængig af dette. Ved at vælge en kølebaffelløsning med motoriserede dyser er det kun ved maksimalt kølebehov (dimensioneringskravet), der er 100 procent luftmængde og dermed maksimal lufthastighed i opholdszonen. I alle andre tilfælde reduceres lufthastigheden i forhold til maksimalbelastningen. For at visualisere er der i figur 7 vist Konklusion På baggrund af kravene til optimal LCC, energiforbrug, fleksibilitet og komfort konkluderes det, at den optimale systemløsning på markedet er kølebafler med motoriserede dyser med pi-funktion. Næste skridt i optimeringsprocessen er at videreudvikle et optimeringssystem, der ligeledes indarbejder energioptimeringer ud fra på variationer på udetemperatur, tryk i kanalsystemet mv., så disse parametre også kan indgå i reguleringen af luftmængden i rummet. Derved er der mulighed for yderligere energioptimeringer af VAV-kølebafler i henhold til de krav til energiforbruget, der stilles allerede i n EFFEKTIV FUGTSTYRING BETALER SIG GLEM ALT OM FUGT PROBLEMER Cotes kvalitetsløsninger inden for affugtning og fugtstyring lader dig fokusere på det, der reelt er værdiskabende for din virksomhed. PROCESSTABILITET Ved fokus på fugtstyring sikres stabil produktion, så din virksomhed kan producere uafhængig af årstid og udekonditioner. ENERGIOPTIMERING Cotes affugtningsløsninger sikrer lavere driftsomkostninger og energibesparelser hermed mindre miljøpåvirkning til gavn for alle. TALK TO US ABOUT WHAT S POSSIBLE T: SALES@COTES.COM COTES.COM 55