Analyse af mulighed for at benytte lavtemperaturfjernvarme

Analyse af mulighed for at benytte lavtemperaturfjernvarme Analyse af radiatoranlæg til eksisterende byggeri Denne rapport er en undersøgelse for mulighed for realisering af lavtemperaturfjernvarme i eksisterende bygninger og fjernvarmenet uafhængig af og evt. forud for energirenovering af bygninger. Der udføres detaljerede simuleringsberegninger af faktisk rumvarmebehov igennem typiske vejrår. Der undersøges om det er muligt at benytte fjernvarmetemperaturer ned til 50 fremløb og 20 retur, mod den forudsætning at temperaturerne hæves helt op til 80 og 40 når det er meget koldt. Det eksisterende byggeri er et fritidscenter med et bebygget areal på 191 m og ligger på Højkærvej i Brøndby. Plantegningen ses på Figur 1, hvor nord er opad. Husets mål tager udgangspunkt i denne tegning, mens opbygning af konstruktioner mm er fra tegningerne over plan og snit. Huset er i ét plan med et tag der hælder fra midten med 30 o. Rumhøjden er 2,5 m i alle rum på nær i tumlerummet hvor der er 3,0 m. Der er fladt loft i hele huset. Figur 1 - Plantegning af det eksisterende byggeri. Husets ydervægskonstruktioner er udført med 200 mm isolering, mens taget er med 250 mm. Gulvet er isoleret med 200 mm i alle rum og vinduerne er tophængde 2-lags termoglas lavenergiruder hvor ruderne har en U-værdi på 1,1 W/m K. U-værdierne for alle yderkonstruktionerne er i Tabel 1. 1

Tabel 1 - U-værdier for det eksisterende byggeri. Konstruktion U-værdi [ / ] Ydervæg 0,22 Gulv 0,25 Tag 0,15 Yderdør i værksted, centerrum, 2,67 tumlerum, kontor og garderobe Vinduer (små) 1,50 Vinduer (mellem) 1,46 Vinduer (store) 1,35 Under gulvet er det er ventileret hulrum inden fundamentet. Derfor er der kun modeleret det ventilerede hulrum da fundamentet ikke vil have indflydelse på varmetabet fra huset. Det ventilerede hulrums isolans er bestemt til 0,17 m K/W i henhold til DS 418 afsnit 6.4.3. Denne værdi er inkluderet i U-værdien i Tabel 1. Der er store vinduer i rummene værksted, centerrum og kontor/personale rum, mens der er små vinduer på alle toiletterne, el-teknikrummet, garderoben og personale garderoben. I tumlerummet er der både store og mellem vinduer. På facaderne mod nord og syd er der mellem vinduer, mens der på øst facaden er store vinduer. Målene på vinduerne er vurderet ud fra plan- og snit-tegningerne samt Krak street view. Arealet på vinduer og døre i huset er angivet i Tabel 2. Tabel 2 - Størrelser på vinduer og døre i huset. Konstruktion Størrelse i Antal i huset [bredde højde] Yderdøre 5 0,9 2,2 Vinduer (små) 7 0,5 0,5 Vinduer (mellem) 6 1,2 0,5 Vinduer (store) 9 1 1,2 Ventilationen kan ses i Tabel 3, og er oplyst af Brøndby Kommune. Ventilationen er konstant. Der er et overskud af indblæst luft på 75 m /h som er i garderoben. Tabel 3 - Ventilation. Rum Indblæsning Udsugning [ / ] [ / ] Centerrum 300 200 El-teknik - 50 Forrum 100 - Garderobe/indgang 150 - Kontor/personale rum 125 125 Personale garderobe - 75 Personale/handicap toilet - 75 Toilet drenge - 50 Toilet piger (2 rum) - 50 pr rum Tumlerum 300 300 Værksted 175 100 2

Huset opvarmes med radiatorer og der er radiatorer i alle rum på nær i el-teknikrummet og på pigetoiletterne. Rumvarmeanlægget er et to-strengs-anlæg og hvis det ikke indeholder termostatstyring og returtemperaturbegrænsere bør disse installeres. Det er ønsket at opretholde minimum 20 hele året i alle rum, men der forudses problemer i elteknikrummet og pigetoiletterne da disse rum ikke indeholder radiatorer. Da el-teknikrummet ikke er et opholdsrum ses der bort fra dette rum. Ydermere indeholder dette rum en varmeveksler der afgiver spildvarme og vil derfor hæve temperaturen i rummet. Varmeveksleren er ikke implementeret i simuleringerne. Tabel 4 er en oversigt over rummene i huset med de installerede radiatorer samt varmeeffekten ved et temperatursæt på 80/40/20. Dette betyder at vandet har en fremløbstemperatur på 80, men returløbstemperatur på 40 og der ønskes en indetemperatur på 20. Rum Antal vinduer/døre Tabel 4 - Radiatorer i eksisterende byggeri. Antal radiatorer Radiator type Dimension Højde/længde [m/m] Varmeeffekt pr. radiator [W] Centerrum 1 dør og 4 store 1 3PK 655/2000 3902 vinduer Centerrum 1 dør og 4 store 1 1P 555/2000 809 vinduer El-teknik 1 lille vindue 0 - - - Forrum - 1 1PK 655/600 432 Garderobe/indgang 1 dør og 1 lille vindue 1 2PK 655/1000 1348 Kontor/personale 1 dør og 1 stort vindue 1 2PK 655/1000 1348 rum Personale 1 lille vindue 1 1PK 655/600 432 garderobe Personale/handicap 1 lille vindue 1 2PK 655/500 674 toilet Toilet drenge 1 lille vindue 1 1PK 655/600 432 Toilet piger (2 rum) 2 små vinduer i alt 0 - - - Tumlerum 1 dør, 2 store vinduer 2 2PK 655/1000 1348 og 6 mellem vinduer Værksted 1 dør og 2 store vinduer 1 2PK 655/1500 2023 Den lille radiator i centerummet er originalt en LK-radioator, men der er indsat en RIO-panel radiator der passer nogenlunde i mål og ydelse. Alle de andre radiatorer er RIO-panel originalt. Varmeeffekterne er RIO-panels regneark. For at opnå detaljerede beregninger omkring husets energiforbrug og indeklima, modelleres huset i simuleringsprogrammet BSim. BSim regner med dynamiske modeller, og husets beliggenhed fastsættes til København, hvormed der regnes med danske vejrdata. BSim efterligner kort sagt virkeligheden. I BSim undersøges det om husets radiatorer kan levere nok varme ved lave temperaturer til, at opretholde det ønskede indeklima. 3

Simulering i BSim Huset blev modelleret i BSim og modellen ses på Figur 2. Figur 2 - BSim-modellen af det eksisterende byggeri. Fritidscenteret består af 12 rum. Som nævnt tidligere benyttes vejrdata for København, og heri bruges data fra det danske design reference år. Systemer Bygningsmodellen er opdelt i 10 zoner, hvilket er 2 zoner mindre end der er rum. Dette skyldes at elteknikrummets operative temperatur ikke er interessant og denne derfor ikke er i en termisk zone. De to pigetoiletter er begge i én zone. Zonerne bruges til at tilføje udstyr, mennesker, radiatorer mm til rummene og til at undersøge forholdene i zonerne. Komponenterne indsættes i modellen i form af systemer. Systemerne indeholder en tidsplan, der angiver brugen og effekten af systemet. Opvarmning Huset opvarmes ved brug af radiatorer. Den maksimale effekt af opvarmningsanlægget sættes til effekten af den/de pågældende radiatorer i rummet. Der opvarmes kun i opvarmningssæsonen, fra september til maj, hvor begge måneder er inkluderet. Det antages at 70% af radiatorernes varmeafgivelse tilføres indeluften ved konvektion. De resterende 30% sker ved stråling til zonens overflader. Da den maksimale effekt af opvarmningsanlægget netop er lig med den effekt givet fra RIO-panels regneark for den pågældende radiator ved det ønskede temperatursæt, simulerer BSim med en flowbegrænser. Intern varmebelastning Den interne varmebelastning i huset består af varmetilskuddet fra eludstyr, belysning og personer. Der simuleres med 70 personer om dagen, fordelingen er en estimering og er i Tabel 5. 4

Tabel 5 - Antal personer. Rum Antal personer Centerrum 29 Forrum, drenge toilet, personale/handicap toilet, 1 kontor/personale rum, pige toiletter Garderobe/indgang 4 Personale garderobe 2 Tumlerum 19 Værksted 10 Der tilføres belysning i alle rum ud fra en vurdering af antallet af belysningskilder og disse kan ses i Tabel 6. Disse er tændt hver dag fra kl. 10-14. Der er tilføjet udstyr i centerrummet i form af et køleskab, der er tænkt hele døgnet, og et komfur, der er tændt én time hver dag. Der er tilføjet en stationær computer i kontoret der er tændt 1 time hver dag. Tabel 6 - Belysning. Rum Antal lysstofrør Samlet effekt [W] Centerrum, tumlerum 8 288 Forrum, drenge toilet, pige toiletter 1 36 Kontor/personale rum, garderobe/indgang 4 144 Personale/handicap toilet, personale garderobe 2 72 Værksted 5 180 Ventilation Der er mekanisk ventilation i fritidscenteret, og luftstrømmene er oplyst i Tabel 3. Ventilationssystemet sættes til at have en varmegenvinging på 80%. Mixing I modellen er der indsat mixing som fører luften fra ét rum til et andet rum som skal være tilstødende. Da der, som det ses i Tabel 3, ikke er indblæsning og udsugning i alle rum, skal luften distribueres rundt i huset for at opretholde disse tilførte eller fjernede luft mængder, se Figur 3. Figur 3 - Mixing i huset i /. 5

Som nævnt tidligere, er der en ubalance i indblæst og udsuget luft på 75m /h i garderoben/indgangen, og BSim sørger for at denne ubalance bliver rettet op på ved exfiltration til udeluften. Resultater ved BSim simulering Der simuleres for perioden 1. januar til 31. maj og 1. september til 31. december, da dette er opvarmningssæsonen. I simuleringsperioden med en fremløbstemperatur på 80 og en returløbstemperatur på 40, er der ingen rum der er under 20 på nær pige toiletterne, se Figur 4. Der ses på onsdag d. 8.1., da de operative temperaturer og udetemperaturen er lavest denne dag. Figur 4 Operative temperaturer ved 80/40. Pige toiletterne falder til 17,7 i nogle timer onsdag d. 8.1., og ligger på mellem 17,7 og 19,1 i hele januar. Senere ses der på indsættelse af radiatorer på pige toiletterne. Der ses nu på lavere temperatursæt i de eksisterende radiatorer. I Tabel 7 ses hvilken udetemperatur de forskellige fremløbs- og returløbstemperaturer kan klare, når der skal opretholdes 20 i alle i åbningstiden, når der ses bort fra pige toiletterne. Tabel 7 Udetemperaturer ved forskellige temperatursæt. Udetemperatur som temperatursættet Temperatursæt kan klare i åbningstiden 55/25/20 +1 60/25/20-6 60/30/20-21 70/35/20-21 80/40/20-21 Ovenstående tabel skal forstås på følgende måde: Temperatursættet 55/25/20 kan opretholde en operativ temperatur på 20 i alle rum, på nær pige toiletterne, i åbningstiden når udetemperaturen er +1 eller højere. Hvis udetemperaturen falder, er det nødvendigt at benytte et højere temperatursæt. Uden for åbningstiden faldt nogle af de operative temperaturer til under 20. 6

Grunden til at udetemperaturen som temperatursættene kan klare i åbningstiden, stiger meget mellem sæt 60/30/20 og 60/25/20 er fordi udetemperaturen stiger hurtigt d. 8.1. hvilket kan ses på Figur 4. Effektbehov Effektbehovet i Figur 5 er det totale behov for huset fra september til maj til opvarmning. Det er rangeret fra højeste totale behov til laveste som er den røde kurve, mens den blå kurve er udetemperaturen fra laveste til højeste. Det ses at det maksimale effektbehov til opvarmning er på 11,7 kw for hele fritidshjemmet. Det totale energiforbrug til rumopvarmning for hele året er på 22 857 kwh. Dette er lidt højere end varmeforbruget for 2008, 2009 og 2010 som lå mellem 18 og 20 MWh. 12 25 10 20 15 Energiforbrug [kw] 8 6 4 10 5 0-5 -10 Udetemperatur [ C] 2-15 -20 0-25 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Time [h] Figur 5 - Effektbehov til opvarmning for fritidshjemmet. Der undersøges dernæst hvor meget behovet kan sænkes ved sænke indetemperaturerne til 17 når der er lukket. Natsænkning af radiatorerne Brugstiden for fritidscenteret er i Tabel 8. Tabel 8 - Brugstid. Ugedag Mandag Tirsdag Onsdag Torsdag Fredag Lørdag Søndag Åbent 12-17 12-17 12-17 12-17 12-16 10-14 10-14 Der simuleres med temperatursættet 80/40/20 og onsdag d. 8.1. kan ses i Figur 6. 7

Figur 6 Natsænkning for 80/40/20 onsdag d. 8.1.2003. Det ses at det tager mellem 1 og 2 timer at varme rummene op med temperatursættet 80/40/20 og at der er 17 i alle rum, på nær pige toiletterne, når der er ikke åbent. Ved at sænke temperatursættet øges genopvarmningstiden, da den maksimale effekt af radiatorerne også sænkes, se Figur 7. Her er der benyttet temperatursættet 60/30/20 og det ses at der er for koldt i tumlerummet i åbningstiden selvom genopvarmningstiden på radiatorerne er sat til 4 timer. Figur 7 - Natsænkning for 60/30/20. Tumlerummet bruger 6 timer på at hæve den operative temperatur fra 12 til 20, selvom udetemperaturen i opvarmningsperioden kun er mellem -2 og -7. Selv ved at sætte radiatorerne i tumlerummet i gang 10 timer før åbning når de stadig ikke 20 før fritidshjemmet åbner. Ved temperatursættet 70/35/20 er genopvarmningstiden 1-2 timer og alle rum på nær pige toiletterne 20 hele åbningstiden. Effektbehov Det totale energiforbrug til rumopvarmning ved 80/40/20 og ved brug af natsænkning er på 15 598 kwh, og det ses at det maksimale effektbehov til opvarmning er på 9,1 kw. 8

Der undersøges nu sænkning i energiforbruget ved at sænke ventilationen udenfor åbningstiden. Natsænkning af ventilation og radiatorer Ventilationen og dermed også mixing sænkes til halvdelen af den nyværende udenfor åbningstiden samtidig med at der stadig er sænkning på de operative temperaturer udenfor åbningstiden. Der simuleres med temperatursættet 80/40/20 og onsdag d. 8.1. kan ses i Figur 8 og det ses at der opretholdes 20 i hele åbningsperioden. Figur 8-80/40/20 med sænkning på ventilation og radiatorer udenfor åbning. Ved temperatursættet 60/30/20 når tumlerummet ikke at blive 20 inden åbning kl. 12 selvom opvarmningsperioden var på 10 timer, se Figur 9. Figur 9-60/30/20 med sænkning på ventilation og radiatorer udenfor åbning. Temperatursættet 70/35/20 kan opretholde en operativ temperatur på 20 i alle rum på nær pige toiletterne, se Figur 10. 9

Figur 10-70/35/20 med sænkning på ventilation og radiatorer udenfor åbning. Effektbehov Det totale energiforbrug til rumopvarmning ved 80/40/20 og ved brug af natsænkning på radiatorer og ventilation er på 8 878 kwh, og det ses at det maksimale effektbehov til opvarmning er på 9,8 kw. Dernæst undersøges konsekvensen ved at installere to radiatorer på pige toiletterne. Radiatorer på pige toiletterne I det følgende undersøges muligheden for at hæve den operative temperatur på pigetoiletterne. Dette gøres ved at installere en radiator på hvert toilet. Ud fra Figur 11 ses at rørføringerne til de andre radiator går lige under pige toiletterne og det burde derved være muligt at installere to radiatorer uden at lægge alt for mange nye rør. Figur 11 - Rørføring og placering af radiatorer. Der installeres to radiatorer som er magen til den i forrummet, der er en 1PK radiator med en højde på 655 mm og en længde på 600 mm. Der simuleres med temperatursættet 80/40/20 og natsænkning på både radiatorer og ventilation. Det totale energiforbrug opvarmning med natsænkning bliver dermed på 9 056 kwh. 10

Konklusion Denne rapport undersøgte mulighederne for at benytte lavtemperaturfjernvarme i et eksisterende byggeri samt at sænke energiforbruget. Ved at hæve frem- og returløbstemperaturerne når det blev meget koldt udenfor var det muligt at benytte temperatursættet 55/25/20 ved en udetemperatur på minimum +1. Dog var de operative temperaturer på pige toiletterne under 20, da der her ikke var installeret radiatorer. Da der blev indført sænkning af de operative temperaturer til 17 uden for åbningstiden blev energiforbruget sænket med 32%. Natsænkning af radiatorerne med 60/30/20 kunne ikke klare at genopvarme alle rum når det havde været under 20 udenfor, dog kunne 70/35/20 godt klare dette. Dernæst blev ventilationen også sænket udenfor åbningstiden, hvilket medførte en yderligere sænkning i energiforbrug på 43%. Dernæst blev muligheden for at installere radiatorer på pigetoiletterne samtidig med natsænkning af både radiatorer og ventilation undersøgt for at kunne opnå 20 i alle rum i hele opvarmningsæsonen. Dette kunne opnås med 70/35/20 ved -21 udenfor og dette øgede kun det totale effektbehov med 2%. I Tabel 9 ses de totale effektbehov for alle scenarier. Tabel 9 - Energiforbrug for alle scenarier. Energiforbrug 80/40/20 uden natsænkning 22857 kwh 80/40/20 med natsænkning på radiatorer 15598 kwh 80/40/20 med natsænkning på radiatorer og ventilation 8878 kwh 80/40/20 med natsænkning af radiatorer og ventilation samt 9056 kwh radiatorer på pige toiletterne Der kan i alle tilfælde benyttes temperatursættet 70/35/20 for at opretholde 20 i rummene ved -21 udenfor. For at kunne fuldføre disse resultater i virkeligheden, kræver det at der er installeret termostatstyring og returtemperaturbegrænsere. 11