Udvikling af mekanisk ventilation med lavt elforbrug Søren Terkildsen Sektion for bygningsfysik og installationer Alectia seminar 20 September 2012.
Introduktion 3 årigt Ph.d studie på DTU byg. Ny type lavtryksventilation med lavt varme og elforbrug til energirenovering af bygninger Udvikle og afprøve nye løsninger til mekanisk ventilation som kan reducere energiforbruget og/eller forbedre indeklimaet. 2
Energikrav 2020 Bygninger står 40 % af Danmarks samlede energiforbrug og heraf står ventilationsanlæg for cirka 25 %. Energirammen for bygninger i 2020 reduceres fra det nuværende 52.5 kwh/m 2 til 20 kwh/m 2 for boliger og fra 71.3 kwh/m 2 til 25 for kwh/m 2 for erhverv. Det forventede krav til SEL-værdien er 1500 J/m 3, mod det nuværende 2100 J/m 3 ved maksimum ydelse og tryktab. Varmegenindvinding på mindst 75 % for erhverv og 85 % for boliger. Det samlede energikrav til bygninger reduceret med 75 % i forhold til 2006, hvorimod kravet til ventilation alene kun bliver reduceret med 40 % (Erhvervsbyggeri). 3
Indeklima 2020 Der er ikke specificeret nogen krav til luftskifte eller minimumsluftmængde pr person som der er i BR 10. I stedet angives kun: CO 2 -koncentration må ikke overstige 900 ppm i længere perioder i skoler, kontorer og institutioner. Hvad er en længere periode? Hvor mange perioder må der være på en dag? Termisk indeklima må kun overskride 26 0 C nogle få timer for erhverv og 100 timer for boliger heraf maksimum 25 timer over 27 0 C. Arbejdstilsynet angiver at CO 2 -koncentrationen ikke bør overskride 0.1 % og hvis den overskrider 0.2 % er luftskiftet utilstrækkeligt. 4
Hvordan? Højere ventilatorvirkningsgrad Bedre styring af luftmængder efter behov Bedre design for at mindske tryktab Producenter Rådgivere Installatører 5
Udvikling frem mod 2020 Ventilatorer og motorer Ved at optimere design, materialer og overfladebehandling må kunne forventes en øget virkningsgrad. Ventilatortype Nyværende effektivitet [%] Radialventilator 87-90 91-94 Aksialventilator 76-80 80-86 Forbedret effektivitet på 5 % i 2020 [%] Kammerventilator 75-77 79-81 Der er motorer på markedet der overholder kravene til IE4 og inden 2020 må det formodes at IE5 motorer med en en virkningsgrad på 97-98 % er udviklet. 6
Udvikling frem mod 2020 Varmegenindvinding Forbedret virkningsgrad på 5 % frem mod 2020 vil mere end overholde kravene til varmegenindvinding, det kan gøres nu. Lidt at spare ved at forbedre virkningsgraden over 90 %, afhængig af bygningstype. Fokus bliver på at reducere tryktabet, for at mindske elforbruget til ventilatorer. Vekslertype Nuværende effektivitet [%] Krydsveksler 50-70 80 Modstrømsveksler 70-85 85-90 Roterende veksler 70-85 85-95 Væskekoblet 40-60 75-? Vekslertype Nuværende tryktab [Pa] Krydsveksler 100 50 Modstrømsveksler 150 50 Roterende veksler 200 30 Væskekoblet? 2! Forbedret effektivitet [%] Forbedret tryktab [Pa] 7
Udvikling frem mod 2020 Filterløsninger Brug af posefiltre i stedet for kompaktfiltre og generelt større filtre. Filertype Nyværende tryktab [%] Forbedret Tryktab 2020 [%] Udvikling i design og materialer, Der kan være op til 40 Pa forskel i starttryktab ved F7 posefiltre afhængig af materiale. Panelfilter 100-350 50-? Kompaktfilter 100-350 50-? Posefilter 60-250 20-100 Elektrostatiskfilter 2-20 2-20 Der vil i fremtiden også komme alternative filter løsninger, nogen kan allerede fås nu. Forskellige former for oxidation silica gel rotor, plasma, photo-catalytic Elektrostatiske filtre 8
Udvikling frem mod 2020 Kanalsystem og komponenter Lavere tryktab ved at bruge; Større kanaler En størrelse op i kanaldimension giver 35 % større areal og 60 % lavere tryktab Bedre design Undgå knæk og bøjninger Symmetri opbygning Undgå lange kanalstrækninger og unødvendige tryktab i spjæld. Bedre komponenter LeanVent spjæld Nye Armaturer 9
Udvikling frem mod 2020 - Styring Resultater med et LeanVent spjæld Pressure loss [Pa] 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 10 % 60 (13 %) 50 (23 %) 30 % 40 (36 %) LeanVent damper opening % Flat-plate damper angle (opening %) 30 (50 %) 50 % 70 % 90 % 0 0 50 100 150 200 250 Air flow [l/s] Openingpercentage[%] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pressure loss [Pa] fan level 1 20 18 16 12 8 6 5* 4* 4* 4* 4* Pressure loss [Pa] fan level 3 65 60 51 38 24 13 11 9 7 6* 6* Pressure loss [Pa] fan level 5 137 128 108 78 48 32 21 15 12 11 10* * Pressure loss across the damper is too low for the pressure sensors to register accurately 10
Udvikling frem mod 2020 - Styring Hvordan styrer i hastigheden på ventilatoren i VAV anlæg? Hvordan fastsættes trykket? 11
Udvikling frem mod 2020 - Styring Minimering af tryktab ved brug Static pressure setpoint reset Static pressure setpoint reset styring hvor et spjæld altid er helt åbent, kan give en besparelse på 20-40 % i forhold til fast statisk tryk. Tilbage betalingstid på ned til et år. Belimo har sendt deres løsning på gaden for cirka to år siden kaldet ventilator optimizer LeanVent er i gang med at udvikle et modul til deres spjæld. Lindab Pascal hvor åbningen på indblæsningsarmaturerne styres optimalt 12
Udvikling frem mod 2020 - Styring Forsøgsopstilling med LeanVent spjæld hvor der blev udviklet en SPRalgoritme. 13
Udvikling frem mod 2020 - Styring Minimering af tryktab ved brug Static pressure setpoint reset 16 14 140 120 Total airflow CSP-1 Pressure [Pa] 12 10 8 6 4 2 100 80 60 40 20 Airflow [l/s] CSP-2 CSP-3 SPR-1 SPR-2 SPR-3 System SPR System CSP 0 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Time [h] 0 14
Udvikling frem mod 2020 - Indblæsning Traditionelle armaturer har tryktab på minimum 30 Pa, hvilket ikke er hensigtsmæssig i lavtryksanlæg. Støjgener Trækgener Diffust indblæsningloft Stort indblæsningsareal giver lavt tryktab omkring 2 Pa samt ingen støj- og trækgener. 15
Diffust indblæsningloft Forskningsprojekter i teori og praksis til at afdække Risiko for zoner med stillestående luft Risiko for kortslutning af luftstrømmen og høje lufthastigheder Luft opblanding Trækgener i opholdszonen Temperaturfordeling Aktivering af termisk masse i loftkonstruktionen Forskellen mellem forskellige loft typer. Gipsplader Aluminiumplader træbetonplader Målinger i testkammer på DTU byg og CFD beregninger samt målinger i praksis på Vallensbæk skole. 16
Diffust indblæsningloft 17
Diffust indblæsningsloft - Tryktab 18
Diffust indblæsningsloft - Lufthastigheder 19
Diffust indblæsningsloft - CFD 20
Diffust indblæsningsloft - Luftopblanding Perfekt piston luftstrøm = 100 % Fortrængningsventilation = 50-100 % Perfekt opblanding = 50 % Kortslutning/stillestående luft = <50 % 21
Vallensbæk skole Formålet er at undersøge forskellige nye designløsninger og komponenter i praksis, for at mindske tryktab og energiforbrug, herunder; Overdimensioneret aggregat Overdimensioneret kanalsystem LeanVent spjæld Diffust indblæsningsloft Behovsstyring CO 2 -sensorer PIR-sensorer 22
Aggregat Standard overdimensioneret VEX340 placeret på loftet. Varmegenindvinding 80-85 % Luftmængde 400-2440 m 3 /h Ingen varmeflade Design luftmængde 450 m 3 /h per rum (5 l/s per person). Lufthastighed på 1-2 m/s = tryktabsgradient på 0,1-0,5 Pa/m 23
Diffust indblæsningsloft Troldtekt træbeton plader 6 aktive plader Indblæsningsareal of 9.2 m 2 Installationshøjde Cirka 20 cm 24
Kontrolstrategi Behovsstyring efter CO 2 -koncentrationen Brugen af rummet Holde CO 2 -koncentration under 1000 ppm. Luftmængden til rummene reguleres af LeanVent spjæld. 25
Målinger Energiforbrug Tryktab SFP-værdi Indeklima CO 2 -koncentration Temperatur Humidity (VOC) Diffust loftindblæsning Tracer gas (decay method), ventilation effektivitet Lufthastighed og temperatur, draught rate Elev test Indlæringsevne Trivsel og opfattet luftkvalitet 26
Resultater Indeklima Før installering 27
Results Indeklima Efter installering 28
Resultater Diffust indblæsningsloft Tracer gas målinger Air change efficiency 29
Resultater Diffust indblæsningsloft Tracer gas målinger Air change efficiency 60 110 Air change efficiency [%] 55 50 45 40 35 500 m3/h 1000 m3/h Local air change index [%] 100 90 80 70 60 500 m3/h 1000 m3/h 30 Exhaust Measuring point 50 #1 #2 #3 #4 #5 Measuring point 30
Resultater - Røgforsøg 31
Resultater Diffust indblæsningloft Lufthastighed og temperatur målinger draught risk 0.1 and 1.1 m ved luftskifte på 500 and 1000 m 3 /h Lufthastigheden skal være under 0.15 m/s Temperaturgradient 32
Resultater Diffust indblæsningloft Ved 1000 m 3 /h og indblæsningstemperatur på 17 grader 22.5 0.35 Airtemperature [C] Airtemperature [C] 22 21.5 21 20.5 20 19.5 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring point Ved 1000 m 3 /h og indblæsningstemperatur på 10 grader 20.2 20 19.8 19.6 19.4 19.2 19 18.8 18.6 18.4 18.2 1 2 3 4 5 6 7 8 33 Measuring point 0.3 0.25 0.2 0.1 m 0.15 1.1 m 0.1 0.05 0 1 2 3 4 5 6 7 8-0.05 Measuring point Mean air velocity [m/s] Mean air velocity [m/s] 0.1 1.1 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring point 1.1 0.1 Threshold 1.1 0.1 Threshold
Resultater Diffus indblæsningsloft Thermografi billeder for at undersøge træk, strålingstemperatur og utæthederne i pladerne. Utætheder mellem pladerne og langs kanten samt utæt uisoleret loftslem. Forkert placering af aktive plader skyld i høje lufthastigheder i det ene hjørne. 34
Resultater Energiforbrug SFP-værdi ved luftmængde på 1000 m 3 /h Beregnet = 650 J/m 3 Målt = 500 J/m 3 Fast statisk tryk i kanalsystem på 25 Pa til at styre ventilatoren Kun indledende målinger så der er en vis usikkerhed 35
Konklusion Forbedret indeklima (1000 ppm) der giver bedre trivsel og indlæring hos elever og lærere. Diffust loftindblæsning God luftfordeling Meget lav risiko for træk Lav indblæsningstemperatur = sparet varmeflade Præcis balanceret luftfordeling til de to rum ved brug af LeanVent spjæld Forholdsvis lave tryk i alle dele af anlægget hvilket gav en lav SFP-værdi på 500 J/m 3. Forvendte krav for 2020 er 1500 J/m 3 Beregnet årligt energiforbrug på 4 kwh/m 2 36