Skattning av fuktverkningsgrad för regenerativ värmeväxling

Transkript

1 Skattning av fuktverkningsgrad för regenerativ värmeväxling Lars Jensen Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet, 25 Rapport TVIT5/799

2 Lunds Universitet Lunds Universitet, med åtta fakulteter samt ett antal forskningscentra och specialhögskolor, är Skandinaviens största enhet för forskning och högre utbildning. Huvuddelen av universitetet ligger i Lund, som har 2 invånare. En del forsknings och utbildningsinstitutioner är dock belägna i Malmö, Helsingborg och Ljungbyhed. Lunds Universitet grundades 666 och har idag totalt 6 8 anställda och 47 studerande som deltar i ett 28 utbildningsprogram och ca 2 2 fristående kurser. Avdelningen för installationsteknik Avdelningen för Installationsteknik tillhör institutionen för Bygg och miljöteknologi på Lunds Tekniska Högskola, som utgör den tekniska fakulteten vid Lunds Universitet. Installationsteknik omfattar installationernas funktion vid påverkan av människor, verksamhet, byggnad och klimat. Forskningen har en systemanalytisk och metodutvecklande inriktning med syfte att utforma energieffektiva och funktionssäkra installationssystem och byggnader som ger bra inneklimat. Nuvarande forskning innefattar bl a utveckling av metoder för utveckling av beräkningsmetoder för godtyckliga flödessystem, konvertering av direktelvärmda hus till alternativa värmesystem, vädring och ventilation i skolor, system för brandsäkerhet, alternativa sätt att förhindra rökspridning vid brand, installationernas belastning på yttre miljön, att betrakta byggnad och installationer som ett byggnadstekniskt system, analysera och beräkna inneklimatet i olika typer av byggnader, effekter av brukarnas beteende för energianvändning, reglering av golvvärmesystem, bestämning av luftflöden i byggnader med hjälp av spårgasmetod. Vi utvecklar även användbara projekteringsverktyg för energi och inomhusklimat, system för individuell energimätning i flerbostadshus samt olika analysverktyg för optimering av ventilationsanläggningar hos industrin.

3 Skattning av fuktverkningsgrad för regenerativ värmeväxling Lars Jensen

4 Lars Jensen ISRN LUTVDG/TVIT5/799SE(2) Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet Box 8 22 LUND

5 Innehållsförteckning Inledning och problemställning 5 2 Skattning av verkningsgrad 7 3 Utvärdering med tolv testfall 9 4 Sammanfattning och slutsatser 2 3

6 4

7 Inledning och problemställning Denna arbetsrapport redovisar en enkel metod för att bestämma fuktverkningsgraden för regenerativ ventilationsvärmeåtervinning. Fuktverkningsgraden kan nästan bli lika stor som temperaturverkningsgraden om frånluftens vatteninnehåll är högt. Detta kan leda till fuktskador vid hög fuktbelastning och låga utetemperaturer. Regenerativ ventilationsvärmeåtervinning görs med rotorväxlare eller växlande magasin. Fördelar är hög effektivitet och god reglerbarhet. Nackdelar är överföring av luft från frånluft till tilluft, vilket kan förhindras till största delen genom renblåsning. Fuktöverföring kan bli betydande och kan inte förhindras med renblåsning. Ventilation av bostäder kan ske med förhållandevis låga luftflöden för att uppfylla de krav som finns. Ett baskrav är att det specifika uteluftsflödet skall vara minst.35 l/sm 2 golvyta, vilket motsvarar.5 oms/h. Det finns två fuktkrav för bostäder. Rumsluftens vatteninnehåll skall inte överstiga 7 under längre perioder vintertid. Uppfuktningen av rumsluften i förhållande till uteluften skall inte överstiga 2.5. Mättad utelufts vatteninnehåll vid temperaturen C är 3.8. Siffrorna visar att om uppfuktningen är högst 2.5 vintertid med utetemperaturer C eller lägre klaras alltid den absoluta gränsen 7. En uppfuktning med 2.5 kan uppnås med hög personbelastning och lågt ventilationsflöde. En människas fuktproduktion är i vila 4 g/h. Uteluftskravet för en sovplats är 4 l/s och motsvarande uppfuktning kan beräknas till 2.3. Siffrorna visar att uppfuktningskravet kan vara svårt att klara om personbelastningen är hög och ventilationsflödet är lågt. Detta gäller särskilt för ett rum i en lägenhet än för hela lägenheten. Något som kan öka uppfuktningen är att ventilationssystem med regenerativ ventilationsvärmeåtervinning kan ge en betydande fuktåterföring mellan frånluft och tilluft. Störst blir denna effekt för rumsaggregat jämfört med lägenhetsaggregat likaväl som lägenhetsaggregat jämfört med att aggregat för flera lägenheter som i ett flerbostadshus. Sammanlagringen av flera rum eller lägenheter med lägre personbelastning minskar uppfuktningen av den gemensamma tilluften. Ett enkelt statiskt samband mellan frånluftens vatteninnehåll xf, uteluftens vatteninnehåll xu, fukttillskottet x och fuktverkningsgraden ηx under förutsättning att tilluftsflöde och frånluftsflöde är lika samt att in och exfiltration är noll är följande: xf = xu + x / ( ηx ) () (.) Fuktverkningsgraden ηx ökar främst med minskande uteluftstemperatur och ökande vatteninnehåll för frånluften. Uttrycket (.) visar att självförstärkningen är betydande. Fuktverkningsgraderna.5,.75 och.8 ändrar uppfuktningen med en faktor 2, 4 respektive 5. Ett stort antal modellberäkningar har inte kunna påvisa att självförstärkningen är instabil. Ökande vatteninnehåll för frånluften kräver ökande fukttillskott. 5

8 Temperatur och fuktverkningsgrad kan beräknas genom en simulering av en värmeväxlarekanal för ett antal perioder tills ett jämviktstillstånd uppnås. Beräkningsarbetet är omfattande och tidskrävande. Temperaturverkningsgrad för motströmsvärmeväxling och lika flöden kan beräknas ytterst enkelt med värmeöverföringsförmåga för växlareytan och flödet, vilket visas i avsnitt 2. Fuktverkningsgraden för motströmsvärmeväxling med lika flöden kan beräknas helt analogt med temperaturverkningsgraden bortsett från en korrektion för andelen av värmeväxlare yta med kondensering och förångning. Beräkningsinsatsen ökar i fuktfallet med att beräkna rotorns temperaturprofil och bestämma den våta andelen av växlareytan med frånluftens daggpunktstemperatur. De fem enkla beräkningssätten kontrolleras med tolv olika fall med frånluftsinnehåll från 4 upptill 4 i steg om.5. Uteluften är nästan mättad. Sammanfattning och slutsatser ges sist i avsnitt 4. 6

9 2 Skattning av verkningsgrad Temperaturverkningsgraden för rekuperativ motströmsvärmeväxling mellan lika flöden med värmeöverföringsförmågan Q W/Koch värmeväxlareytan Ahrek W/K från luft till luft kan skrivas som (2.). Dito för regenerativ motströmsvärmeväxling mellan lika flöden med värmeöverföringsförmågan Q W/Koch värmeväxlareytan Ahreg W/K för en rotorhalva eller ett av två magasin och från luft till regeneratormaterial kan skrivas som (2.2) för nominellt varvtal eller dito arbetscykel. ηtrek = Ahrek / ( Ahrek + Q ) () (2.) ηtreg = Ahreg / ( Ahreg + 2Q ) () (2.2) Tillufts och avluftstemperatur bestäms med utelufts och frånluftstemperatur samt temperaturverkningsgrad som visas i Figur 2.. Rotorns temperaturprofil Tr(z) bestäms med dessa fyra temperaturer som en funktion av den normerade längdkoordinaten z: Tr(z) = Tu / 2+ Tf / 2+( Tf Tu ) ( ηt ) ( z / 2 ) ( C) (2.3) 25 Temperaturprofiler för frånluft/avluft uteluft/tilluft rotor o C 2 5 T f T ft T t Temperaturprofiler o C T a T au Längdkoordinat z Figur 2. Temperaturprofiler för motströmsvärmeväxling med lika flöden. 7

10 Gränsen mellan torr och våt växlaryta bestäms med frånluftens daggpunktstemperatur Tdf och rotorns temperaturprofil, vilket ger största andel fuktöverförande växlaryta f. Fuktverkningsgraden enligt (2.2) ändras till (2.5). Tr(f) = Tdf ( C) (2.4) ηxreg = f Ahreg / ( f Ahreg + 2 Q ) () (2.5) Andelen f av värmeväxlarytan deltar inte fullt ut där frånluft börjar kondensera på växlareytan. Det finns ett övergångsområde som kan kompenseras med avdrag kvoten Q/Ah, vilket ger fuktverkningsgraden enligt (2.6): ηxreg = ( f Ahreg Q ) / ( f Ahreg + Q ) () (2.6) Fuktandelen varierar under ett varv eller en arbetscykel. Det sker uttorkning på uteluftssidan. En integration av fuktverkningsgraden enligt (2.5) med avseende på fuktandelen f från till f ger medelfuktverkningsgraden enligt (2.7) för en arbetscykel. ηxreg = log( f Ah/2Q + ) / ( f Ah/2Q ) () (2.7) Fuktverkningsgraden ηxreg kan uppskattas på fyra sätt enligt (2.2) lika med temperaturverkningsgraden, (2.5) med korrektion för fuktandel, (2.6) med avdrag för övergångsområdet med kvoten Q/Ah samt beräknat medelvärde för fuktverkningsgraden enligt (2.7). Fuktverkningsgraden kommer att uppskattas med (2.2), 2.5), (2.6) och (2.7). En femte uppskattning är en sammanvägning av de två senare uppskattningssätten enligt (2.6) och (2.7) med vikterna.75 respektive.25, vilket ger en mindre förbättring. ηxreg(2.8) =.75 ηxreg(2.6) +.25 ηxreg(2.7) () (2.8) Fuktverkningsgraden är alltid något större än noll när renblåsning inte finns, eftersom mättad frånluft förs över till tilluften. Denna minsta fuktverkningsgrad ηxregmin kan skrivas kvoten mellan genomblåsningstiden av värmeväxlare och halva periodtiden, vilket blir: ηxregmin = 2 l / v p () (2.9) 8

11 3 Utvärdering med tolv testfall Verkningsgraden har beräknats för tolv fall redovisade i Tabell 3. och jämförs med resultat från en fullständig simulering av en rotorkanal. Både simulerad och skattad temperatur och viktad fuktverkningsgrad för de tolv fallen redovisas i Figur 3.2 som funktion av frånluftens vatteninnehåll i steg om.5 upptill 4. Mättnadvärdet är 4.7. Skattade värde är inringade. De tolv fallen är numrerade upptill 2. Endast rotmedelkvadratfelet redovisas i Tabell 3.2 för temperaturverkningsgrad (2.2) och fem fuktverkningsgrader (2.2), (2.57) samt viktning av (2.6) och (2.7), som redovisas i Figur 3.2. Tabell 3. Klimatdata, växlarelängd l m, lufthastighet v m/s och kvoten Q/Ah för tolv fall. fall Tu C xu Tf C l m v m/s Q/Ah Tabell 3.2 Rotmedelkvadratfel för verkningsgrad ηt och fem ηx enligt (2.2) och (2.58). fall ηt rms(2.2) ηx rms(2.2) ηx rms(2.5) ηx rms(2.6) ηx rms(2.7) ηx rms(2.8) min medel max std

12 .9 = o C T f = 2 o C l = mm v = 2 m/s q = f = 9 () r f 2 o C η T rms.55 η T med.5.2 η T std.22 rms.24. med.9 std Figur 3. Simulerade och skattade verkningsgrader för fall..9 = o C T f = 2 o C l = 2 mm v = 2 m/s q = f = 9 (2) r f 2 o C η T rms.8 η T med.7.2 η T std.6 rms.4. med.6 std Figur 3.2 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 2.

13 .9 = o C T f = 2 o C l = 3 mm v = 2 m/s q = f = 9 (3) r f 2 o C η T rms.8 η T med.7.2 η T std.5 rms.5. med. std. 5 5 Figur 3.3 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 3..9 = o C T f = 2 o C l = 4 mm v = 2 m/s q = f = 9 (4) r f 2 o C η T rms.6 η T med.5.2 η T std.4 rms.2. med.2 std Figur 3.4 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 4.

14 .9 = o C T f = 2 o C l = 2 mm v = m/s q = f = 9 (5) r f 2 o C η T rms.23 η T med.23.2 η T std.3 rms.37. med.5 std Figur 3.5 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 5..9 = o C T f = 2 o C l = 2 mm v = 3 m/s q = f = 9 (7) r f 2 o C η T rms.38 η T med.36.2 η T std.3 rms.2. med.5 std Figur 3.6 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 7. 2

15 .9 = o C T f = 2 o C l = 2 mm v = 4 m/s q = f = 9 (8) r f 2 o C η T rms.55 η T med.5.2 η T std.2 rms.25. med. std Figur 3.7 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 8..9 = 5 o C T f = 2 o C l = 2 mm v = 2 m/s q = f = 9 (9) r f 2 o C η T rms.7 η T med.6.2 η T std.6 rms.2. med.4 std Figur 3.8 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 9. 3

16 .9 = 5 o C T f = 2 o C l = 2 mm v = 2 m/s q = f = 9 () r f 2 o C η T rms.25 η T med.23.2 η T std.8 rms.25. med.3 std Figur 3.9 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall..9 = o C T f = 2 o C l = 2 mm v = 2 m/s q = f = 9 (2) r f 2 o C η T rms.28 η T med.25.2 η T std.4 rms.65. med.42 std Figur 3. Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 2. 4

17 .9 = o C T f = 22 o C l = 2 mm v = 2 m/s q = f = 9 (9) r f 2 o C η T rms.2 η T med.2.2 η T std.4 rms.8. med.4 std Figur 3. Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 9..9 = o C T f = 24 o C l = 2 mm v = 2 m/s q = f = 9 (2) r f 2 o C η T rms.2 η T med.2.2 η T std.4 rms.2. med.5 std Figur 3.2 Simulerade och skattade verkningsgrader för fall 2. 5

18 Alla verkningsgrader för de tolv fallen och för samtliga vatteninnehåll för frånluften redovisas i Figur 3.36 med ordningen skattad och simulerad temperaturverkningsgrad samt skattad och simulerad fuktverkningsgrad. Felen mellan skattad och simulerad verkningsgrad redovisas i Figur 3.78 för temperatur respektive fukt. Skattad verkningsgrad redovisas som funktion av simulerad dito i Figur för temperatur respektive fukt. Siffrorna i Tabell 3.2 och punkterna i Figur 3.92 visar att felet mellan fullständigt simulerad verkningsgrad och skattad dito är måttligt. Skattning enligt (2.6) ger lägsta rotmedelkvadratfel för fuktverkningsgrad har fall 3med värdet.35 för rotorlängd 3 mm. Fall 4 med rotorlängden 4 mm ligger nära med värdet.35. Högsta rotmedelkvadratfel för fuktverkningsgrad har fall 2 med värdet.889 för den högsta utetemperaturen C. Näst högst är fall 5 med värdet.552 för lägst lufthastighet m/s. Tredje högst är fall med värdet.5 för den nästhögsta utetemperaturen 5 C En bedömning av skattad fuktverkningsgrad enligt viktningen (2.8) är att den ligger genomgående högre än den fullständigt simulerade fuktverkningsgraden. Uppgången från liten till hög fuktverkningsgrad stämmer ganska bra med fullständigt simulerade värden. Samma bedömning av skattad temperaturverkningsgrad är att den ligger genomgående högre än den fullständigt simulerade temperaturverkningsgraden. Den svaga nergången för fullständigt simulerade temperaturverkningsgrad för frånluft med högt vatteninnehåll kan det skattade och konstanta värdet enligt (2.2) inte beskriva, eftersom (2.2) är helt fuktoberoende. 6

19 Skattad temperaturverkningsgrad η T.9 Temperaturverkningsgrad η T Figur 3.3 Skattad temperaturverkningsgrad som funktion av frånluftens vatteninnehåll. Simulerad temperaturverkningsgrad η T.9 Temperaturverkningsgrad η T Figur 3.4 Simulerad temperaturverkningsgrad som funktion av frånluftens vatteninnehåll. 7

20 Skattad fuktverkningsgrad.9.8 Fuktverkningsgrad Figur 3.5 Skattad fuktverkningsgrad som funktion av frånluftens vatteninnehåll. Simulerad fuktverkningsgrad.9.8 Fuktverkningsgrad Figur 3.6 Simulerad fuktverkningsgrad som funktion av frånluftens vatteninnehåll. 8

21 . Temperaturverkningsgradfel η T.8 Temperaturverkningsgradsfel η T Figur 3.7 Temperaturverkningsgradsfel som funktion av frånluftens vatteninnehåll.. Fuktverkningsgradsfel.8 Fuktverkningsgradsfel Figur 3.8 Fuktverkningsgradsfel som funktion av frånluftens vatteninnehåll. 9

22 Temperaturverkningsgrad η T Skattad temperaturverkningsgrad η T Simulerad temperaturverkningsgrad η T Figur 3.9 Skattad temperaturverkningsgrad som funktion av simulerad dito. Fuktverkningsgrad.9 Skattad fuktverkningsgrad Simulerad fuktverkningsgrad Figur 3.2 Skattad fuktverkningsgrad som funktion av simulerad dito. 2

23 4 Sammanfattning och slutsatser Denna arbetsrapport redovisar en enkel metod för att bestämma fuktverkningsgraden för regenerativ ventilationsvärmeåtervinning, som görs med rotorväxlare eller växlande magasin. Fördelar med regenerativ ventilationsvärmeåtervinning är hög effektivitet och god reglerbarhet. Nackdelar är överföring av luft från frånluft till tilluft, vilket kan förhindras till största delen genom renblåsning. Fuktöverföring kan bli betydande och kan inte förhindras med renblåsning. Fuktverkningsgraden kan nästan bli lika stor som temperaturverkningsgraden om frånluftens vatteninnehåll är högt. Detta kan leda till fuktskador vid hög fuktbelastning och låga utetemperaturer. Rumsluftens vatteninnehåll överskrider lätt absolutgränsen 7 och även uppfuktningsgränsen på 2.5. Dessa gränsvärden gäller undre längre tid vintertid. Fuktverkningsgraden ökar främst med minskande uteluftstemperatur och ökande vatteninnehåll för frånluften. Det senare ger en självförstärkande effekt som inte är instabil. Ökande vatteninnehåll för frånluften kräver ökande fukttillskott. Temperatur och fuktverkningsgrad kan beräknas genom en simulering av en värmeväxlarekanal för ett antal perioder tills ett jämviktstillstånd uppnås. Beräkningsarbetet är omfattande och tidskrävande. Temperaturverkningsgrad för motströmsvärmeväxling och lika flöden kan beräknas ytterst enkelt med värmeöverföringsförmåga för växlareytan och flödet, vilket visas i avsnitt 2. Fuktverkningsgraden för motströmsvärmeväxling med lika flöden kan beräknas helt analogt med temperaturverkningsgraden bortsett från en korrektion för andelen av värmeväxlare yta med kondensering och förångning. Beräkningsinsatsen ökar i fuktfallet med att beräkna rotorns temperaturprofil och bestämma den våta andelen av växlareytan med frånluftens daggpunktstemperatur. Beräkningssätten enligt (2.2) och (2.58) kontrolleras med simulerade data för tolv olika fall med frånluftsinnehåll från 4 upptill 4 i steg om.5. Uteluften är nästan mättad. Rotmedelkvadratfelet är mindre än.3 för temperatur samt.5 och.3 för fukt enligt (2.6) respektive (2.8). Den enkla skattningen av andelen fuktig värmeväxlareyta har stor betydelse för resultatet. Det finns nog möjligheter att förbättra denna enkla skattning. En viktig anmärkning är att beräkningsmetoden gäller endast för lika flöden och nominellt varvtal eller nominell arbetscykel. Fuktverkningsgraden påverkas av varvtal eller arbetscykel, vilket utnyttjas för att undvika fuktproblem med vissa driftsfall. En avslutande slutsats är att det föreslagna enkla beräkningssättet för fuktverkningsgraden med (2.6) ger genomgående en mindre överskattning, vilket är godtagbart och användbart. 2