optimal reglering av radiatorsystem Rapport I 2007:6

Transkript

1 optimal reglering av radiatorsystem Rapport I 2007:6

2

3 optimal reglering av radiatorsystem wollerstrand, j ljunggren, p johansson, p-o ISBN Svensk Fjärrvärme AB

4 förord Det här projektet är ett led i effektiviseringen av fjärrvärmesystemen. En optimal reglering av sekundära system är oerhört betydelsefullt för att förbättra den primära avkylningen. Studien har gjorts av Janusz Wollerstrand, Patrik Ljunggren och Per-Olof Johansson vid institutionen för Energivetenskaper, Lunds tekniska högskola. Den har genomförts genom att härleda teoretiska kurvor för optimal reglering av radiatorsystemet för att visa hur avkylningen påverkas av radiatorflöde och -temperaturer i olika lastfall. Beräkningarna är verifierade med simuleringar och fältförsök. Resultaten visar att det är möjligt att uppnå en väsentlig förbättring av den primära returtemperaturen. Rapporten innehåller också en beskrivning av hur man utför en optimering genom flödesvariation i radiatorsystemet. Eva-Katrin Lindman Ordförande i Teknikrådet Rapporten redovisar projektets resultat och slutsatser. Publicering innebär inte att Svensk Fjärrvärme eller Fjärrsyns styrelse har tagit ställning till innehållet. 4

5 sammanfattning I detta arbete presenteras resultat från en studie som syftar till att komma ett väsentligt steg längre i utvecklingen mot att minimera returtemperaturen från en fjärrvärmecentral genom att optimera regleringen av radiatorsystemet. Detta utvecklingsarbete påbörjades i Sverige för ungefär 20 år sedan då metoden för så kallad lågflödesinjustering introducerades. Efter några års delvis förvirrad diskussion kom den på många håll att accepteras samtidigt som den mötte motstånd på vissa håll. Vår tes är att ytterligare förbättring av primär avkylning kan bli möjlig då avancerade, men robusta, regleralgoritmer i fjärrvärmecentralens radiatorkrets introduceras. Traditionellt är ett radiatorsystem utformat för ett visst konstant radiatorflöde kombinerat med en lämplig styrkurva för den regulator som ställer in radiatorframledningstemperaturen som funktion av utomhustemperaturen. Vad som är den bästa styrkurvan varierar starkt från fall till fall och är en fråga som både vi och andra i tidigare arbeten har bidragit till att klarlägga. Ett första steg framåt var att kunna härleda teoretiska kurvor för optimal reglering, som visar hur temperaturer och radiatorflöde varierar med lastfallet. Den beräknade vinsten varierar kraftigt med förutsättningarna, men under realistiska förutsättningar kan den uppgå till över 5ºC sänkt primär returtemperatur i årsmedelvärde. För att kunna fungera på ett robust sätt under varierande praktiska förutsättningar måste en regleralgoritm kombinera variation av radiatorframledningstemperatur med styrning av radiatorflödet som funktion av lasten. Genom reglering av varvtalet för cirkulationspumpen kan detta uppnås. En sådan reglering kan för varje system anpassas genom att ställa in några utvalda parametervärden i en regulator. Resultatet av föreliggande arbete är, att fylla viktiga luckor i den teoretiska kartläggningen, att redovisa alla resultat på ett systematiskt sätt och att underbygga resultaten empiriskt med fältförsök. En konkret beskrivning av metodiken för att utföra optimering av primär avkylning genom flödesvariation är framtagen och finns beskriven i bilaga. En naturlig fortsättning på detta arbete är att ta fram en metod för automatisk inställning av parametervärden för en optimal regulator, d.v.s. göra algoritmen adaptiv. Ytterst leder detta till att regulatorn själv hittar de parametervärden som i det givna fallet är bäst lämpade för maximal avkylning. En av fördelarna med en sådan algoritm är, att den automatiskt anpassas till förändrade förutsättningar, som t ex förändrad primär framledningstemperatur. Vidare kan regulatorn detaljkonstrueras för att implementera de framtagna algoritmerna och verifieras genom fältförsök. 5

6 summary This report presents results from a study aiming to considerably improve the development towards minimizing the primary return temperature from a district heating (DH) substation by optimizing the control algorithm for the space heating system. The investigation of this research field started about 20 years ago in Sweden when low flow operation of space heating systems was introduced. Following a couple of years of partly confused discussions, the method was accepted by many, but was rejected by others. Our thesis is that further improvement of cooling of DH water is possible when advanced, but robust, control algorithms are used for the space heating system. A space heating system is traditionally designed for a specific constant circulation flow combined with a suitable control curve for the space heating supply temperature as a function of the outdoor temperature. Optimal choice of the control curve varies from case to case and is an issue both we and others have dealt with in previous work. A large step was to derive theoretical control curves for optimal control of the space heating system, with an analysis of how temperature and circulation flow varies with heat load. The estimated gain varies strongly depending on the conditions, however, with realistic conditions it can be as much as 5 C decreased DH return temperature on yearly average. To be able to work properly under varying physical circumstances, a control algorithm must be able to combine variation of space heating supply temperature and circulation flow as a function of the heat load. By regulating the rotation speed of the circulation pump this can be achieved. Such regulation can be adjusted for each and every building by regulating a few parameters in a regulator. The results from this work are, that important theoretical knowledge has been completed, to show results systematically and to find support from practical experiments. A hands-on description of the method for optimizing DH water cooling by circulation flow regulation is described in an appendix. A natural continuation of this work is to develop a method for automatic adaptation of parameter values for an optimized regulator, i.e. to make the algorithm adaptive. Ultimate this leads to the regulator finding the parameter values best suited for the given conditions to achieve maximum primary cooling. One of the advantages with such an algorithm is that it will automatically adapt to changed conditions, e.g. variation in primary supply temperature. Further on the regulator can be designed in detail to implement the developed algorithms and be verified in field studies. 6

7 innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Syfte och mål Avgränsningar och definitioner Erkännanden Allmänt om temperaturprogram och drift av radiatorsystem Allmänt Lågflödesinjustering av radiatorsystem Optimering av radiatorprogram teori Allmänt Radiatorsystemets prestanda Radiatorvärmeväxlarens prestanda Optimerade temperaturprogram Val av lägsta tillåtna cirkulationsflöde Simuleringar och fältförsök Optimering via temperaturvariation Optimering via flödesvariation - fältförsök Metodik och begränsningar Genomförande försök Genomförande försök Begränsningar försök Optimering via flödesvariation - simulering Slutsatser Diskussion Fortsatt arbete Referenser Bilaga a vägledning för optimering via flödesvariation

8 nomenklatur Variabler A Area, m 2 α Värmeövergångskoefficient, W/m 2 K c Konstant c p Värmekapacitivitet, J/kgK LMTD, ΔT log Logaritmisk medeltemperatur, C k Värmegenomgångskoefficient, W/m 2 K K Värmeavgivningskoefficient, W/K &m Massflöde, kg/s m Radiatorexponent, -, även massflöde n Värmeväxlarexponent, - Nu Nusselts tal, - Pr Prandtls tal, - Q & Värmeflöde, kw Re Reynolds tal, - T Temperatur, C Index 1, 2,, Indikerar primär- respektive sekundärsida eller olika driftsfall 0 Dimensioneringstillstånd diff Differens fjv Fjärrvärme fram Fram(ledning) g Gräns i Inomhus rad Radiator(system) radvvx Radiatorvärmeväxlare ret Retur(ledning) u Utomhus Förkortningar DUT LTD os Dimensionerande utetemperatur Least Temperature Difference, Lägsta temperaturdifferens Oversize, överdimensionering 8

9 1. inledning Följande arbete behandlar driften av radiatorsystem, hur man väljer temperaturprogram och flöde och hur detta påverkar den primära returtemperaturen, d.v.s. avkylningen av primärflödet i fjärrvärmecentraler. Idag förekommande temperaturprogram kommer att studeras och jämföras med en ny metod där ett varierande, lastberoende radiatorflöde används. Teorin bakom metoden kommer att beskrivas samt hur den kan implementeras i ett verkligt radiatorsystem. 1.1 Bakgrund Förbättrad avkylning i fjärrvärmecentraler är att ständigt aktuellt ämne. Såväl de flesta produktionsanläggningar som distributionsnät kan få bättre prestanda om avkylningen i kundanläggningarna förbättras. Många studier har visat att avkylningen i en fjärrvärmecentral framför allt bestäms av parametrarna i de sekundära systemen. Även om exempelvis valet mellan parallell- eller tvåstegskoppling i viss mån kan påverka avkylningen så är inverkan betydligt större från fram- och returledningstemperaturer och flöde i radiatorkretsen. Traditionellt arbetar radiatorsystem med ett konstant flöde, som kan vara antingen högt eller lågt. I tidigare arbeten, [3], [4] och [6], har det emellertid visats att man genom att variera flödet beroende på radiatorlasten kan förbättra avkylningen. I arbetet behandlas även det faktum att många radiatorsystem är kraftigt överdimensionerade och hur detta påverkar valet av optimalt temperaturprogram. Denna rapport innebär en vidareutveckling av tidigare arbeten, bland annat genom en utförlig genomgång av radiatorkretsens och radiatorvärmeväxlarens prestanda samt simuleringar och fältförsök som visar hur optimeringen av radiatordriften kan implementeras och hur stora förbättringar som är möjliga. 1.2 Syfte och mål Projektet syftar till att ta fram två optimeringsalgoritmer som kan optimera regleringen av en radiatorkrets med avseende på lägsta möjliga returtemperatur och att med beräkningsmodeller utvärdera dessa algoritmer. Resultaten ska få en sådan form att de kan användas direkt och konkret i de fältförsök som är under förberedelse. Hänsyn tas även till att den primära framledningstemperaturen vid fjärrvärmecentralen ska kunna varieras från det befintliga temperaturprogrammet. 1.3 Avgränsningar och definitioner Radiatorsystem som behandlas här är konventionella 2-rörssystem anslutna till en fjärrvärmecentral, se Figur rörssystem lämnas åt sidan tills vidare eftersom deras egenskaper vid flödesvariationer är svårare att generalisera jämfört med 2-rörssystem [7]. 9

10 RC Figur 0.1 Schematisk bild av ett 2-rörsradiatorsystem i en fjärrvärmeansluten byggnad. Figure 0.1 Schematic picture of a 2-pipe space heating system in a building connected to DH. Med radiatorvärmeväxlare eller värmeväxlare menas värmeväxlaren i fjärrvärmecentralen där primärvattnet från fjärrvärmenätet värmer radiatorvattnet som cirkulerar på värmeväxlarens sekundärsida. Vi utgår ifrån att radiatorvärmeväxlaren är en plattvärmeväxlare i standardutförande (samma kanalhöjd och mönster på både primär- och sekundärsida). Radiatorerna är av vanligt förekommande typ, med värmeavgivning som kan beskrivas enligt europanormen SS-EN 442 [11]. Radiatorkretsen, inklusive fördelningsledningar, dimensioneras för högt cirkulationsflöde. I det fallet radiatorytorna är överdimensionerade så är fördelningsledningarna och cirkulationspumpen överdimensionerade i lika hög grad. I praktiken kan överdimensioneringen variera mellan kretsens olika delar/komponenter. 1.4 Erkännanden Det redovisade projektet har finansierats av Svensk Fjärrvärme AB i samverkan med Statens Energimyndighet. Fältmätningar inom projektet har genomförts i samarbete med MKB Fastighet AB och E.ON Värme Sverige AB i Malmö, samt Karlshamnsbostäder AB, Karlshamn Energi AB och företaget NodaIS AB i Karlshamn. Projektet har följts av en referensgrupp bestående av Kjell Andersson, Mälarenergi AB, Jan Berglund, Svensk Fjärrvärme AB, Lars-Ove Gustavsson, Tekniska Verken i Linköping AB och Gunnar Nilsson, Göteborg Energi AB. Vi tackar alla inblandade för visad hjälp och nyttiga synpunkter på vårt arbete. 10

11 2. allmänt om temperaturprogram och drift av radiatorsystem 2.1 Allmänt Avkylningen av fjärrvärmevatten i en korrekt fungerande fjärrvärmecentral beror till mycket stor del på arbetsparametrarna i radiatorkretsen, vilka i sin tur beror på dimensioneringen av kretsen och hur värmen distribueras. Den traditionella metoden att styra distributionen av värme i kretsen är att hålla cirkulationsflödet konstant och variera framledningstemperaturen beroende på utetemperaturen, byggnadens värmeförluster och radiatorernas termiska karakteristik. Med givna fram- och returledningstemperaturer kan radiatorvärmeväxlaren i fjärrvärmecentralen dimensioneras så att temperaturdifferensen mellan fjärrvärmeoch radiatorflöde uppfyller Svensk fjärrvärmes designkriterier [9]. Fjärrvärmeflödets avkylning kommer att vara som störst vid maximal last (T DUT ). Detta garanterar emellertid inte att fjärrvärmevattnets avkylning är optimal vid dellast. Frederiksen och Wollerstrand visade redan 1987 [3] att det för varje kombination av radiatorsystem och fjärrvärmecentral, vid varje lastfall och framledningstemperatur, finns ett optimalt flöde i radiatorkretsen som ger lägsta möjliga primära returtemperatur. För val av dimensionerande temperaturer i radiatorsystem har olika rekommendationer förekommit. Idag dimensioneras för lägre temperaturprogram (60/45 C, 60/40 C, 55/45 C) medan man traditionellt dimensionerat för 80/60 C. Det förekommer nästan alltid en överdimensionering av radiatorsystemet och framför allt av radiatorytorna. Överdimensioneringen uppgår minst till 10 procent och ofta till 100 procent eller mer, se till exempel [5], [8] och [12], beroende på överskattning av byggnadens värmeförluster samt att komponenter vid dimensionering i allmänhet väljs i större storlekar än beräknat. Som exempel kan nämnas att mindre radiatorer normalt säljs i storlekar på intervall om procent. Ytterligare överdimensionering av radiatorsystemet kan uppkomma efterhand som resultat av energibesparande åtgärder i en byggnad såsom fönsterbyte, tilläggsisolering eller installation av värmeåtervinning i ventilationssystemet. Vad blir då konsekvensen av att vi har ett överdimensionerat radiatorsystem? Om systemet körs som om det var korrekt dimensionerat, med avseende på flöde och framledningstemperatur, kommer inomhusluften att bli övervärmd. Ett system med väl fungerande termostatiska radiatorventiler kan dock, åtminstone i teorin, strypa flödena så att korrekt inomhustemperatur erhålls. Andra möjligheter är att de boende själva skruvar åt radiatorventilerna för att sänka temperaturen, att de klagar hos fastighetsskötaren, som kan kompensera framledningstemperaturen genom att skifta ned temperaturprogrammet, eller att överskottsvärmen helt enkelt vädras ut. Till ett givet system med dess eventuella överdimensionering anpassas ett temperaturprogram. Hur detta kommer att se ut beror bland annat på hur stort radiatorflödet är. Om radiatorerna t ex överdimensioneras redan vid projekteringen blir även radiatorkretsens cirkulationspump överdimensionerad i lika hög grad. Detta innebär att om radiatorytan är överdimensionerad med 100 procent så blir radiatorflödet dubbelt så stort jämfört med erforderligt flöde. I övrigt antas att radiatorflödet är konstant under drift (vi bortser här från tillfälliga variationer orsakade av termostatventiler) och att temperaturkurvorna anpassas till byggnadens uppvärmningsbehov för att undvika övervärmning. I Figur 2.1 nedan visas fram- och returledningstemperatur i ett traditionellt 80/60 C-system tillsammans med primär framledningstemperatur (till höger). 11

12 Den vertikala linjen mitt i diagrammet indikerar T DUT, i detta fall -15 C. Kurvorna möts vid balanstemperaturen, T g, här 17 C. Ett överdimensionerat system kan liknas vid ett korrekt dimensionerat system som arbetar vid ett större utomhustemperaturintervall än det faktiska genom att den dimensionerande punkten flyttat sig åt vänster i diagrammet. Enligt ett sådant resonemang kan temperaturkurvorna ritas om för ett nytt temperaturområde. En överdimensionering innebär att radiatorsystemet skulle klara uppvärmningen av byggnaden vid betydligt lägre utomhustemperaturer. 100 procent överdimensionering innebär en fördubbling av temperaturintervallet mellan dimensionerande utetemperatur och balanstemperaturen. Vi kan räkna fram en ny T DUT som: T DUT,os = T g 2 (T g T DUT ) = 17 2 (17 ( 15)) = 47 C Enligt den nya temperaturkurvan som också visas i figur 2.1 kan en lägre framledningstemperatur erhållas för varje utomhustemperatur inom det normalt gällande temperaturintervallet. En konsekvens av att 80/60 C-fallet inträffar vid den nya, teoretiska, T DUT,os är att temperaturfallet i radiatorsystemet vid verkliga T DUT endast är 10 C (55/45 C) istället för 20 C i o m att även cirkulationspumpen är 100 procent överdimensionerad. Den gröna linjen underst i figuren visar den logaritmiska medeltemperaturen mellan radiatorernas yta och inomhusluften. Figur 2.1 Jämförelse av fram- och returtemperaturer utan överdimensionering respektive med 100 procent överdimensionering kompenserad genom sänkt temperaturprogram, 55/45 C. Figure 2.1 Comparison between supply and return temperatures with no oversizing and 100 per cent oversizing respectively, compensated by a lowered temperature program, 55/45 C. 12

13 Ett annat sätt att kompensera för överdimensionerad radiatoryta är att behålla framledningstemperaturen till radiatorerna och minska flödet kraftigt. Därmed erhålls en så kallad lågflödesinjustering, se Figur 2.2 Detta är en mindre vanlig, men förekommande, metod som började få spridning i Sverige på 1970-talet, se till exempel [1]. Rent teoretiskt borde ett sådant driftfall åstadkommas automatiskt om radiatorerna utrustas med termostatventiler. I praktiken måste dock systemet injusteras hydrauliskt för att undvika obalans och övervärmning av byggnader orsakad av begränsningar i termostatventilernas funktion. Observera att radiatorns logaritmiska medeltemperatur är densamma för de modifierade kurvorna både i Figur 2.1 och Figur 2.2. Detta är en nödvändighet för att den överförda effekten ska bli densamma. Figur 2.2 Jämförelse av fram- och returtemperaturer utan överdimensionering respektive med 100 procent överdimensionering kompenserad genom lågflödesinjustering, temperaturprogram, 80/32 C. Figure 2.2 Comparison between supply and return temperatures with no oversizing and 100 per cent oversizing respectively, compensated by a low flow balancing, temperature program, 80/32 C. I Figur 2.3 visas ett tredje injusteringsalternativ där cirkulationsflödet från det projekterade fallet använts vilket innebär ett temperaturfall på 20 C vid den faktiska T DUT. För att undvika övervärmning har temperaturkurvorna skiftats ned även här så att den överförda effekten halveras jämfört med ursprungsfallet. Detta medför att driftsförutsättningarna ändras till en ungefärlig 60/40 C-dimensionering. Även här är självfallet den logaritmiska medeltemperaturen densamma. 13

14 Figur 2.3 Jämförelse av fram- och returtemperaturer utan överdimensionering respektive med 100 procent överdimensionering kompenserad genom sänkt temperaturprogram, 60/40 C. Figure 2.3 Comparison between supply and return temperatures with no oversizing and 100 per cent oversizing respectively, compensated by a lowered temperature program, 60/40 C. Avslutningsvis kan konstateras att var och en av de ovan nämnda metoderna kompenserar för överdimensionering av radiatorytorna. Den första metoden leder till onödigt högt cirkulationsflöde och därmed en måttlig avkylning av radiatorflödet vilket ger en relativt hög primär returtemperatur. Den andra metoden leder till hög framledningstemperatur men ger i gengäld ett lågt cirkulationsflöde medan den tredje metoden ger lägre framledningstemperatur vid normalt cirkulationsflöde. Det kommer att visas längre fram att metod två och tre är i stort sett ekvivalenta med avseende på avkylning av primärvatten i fjärrvärmecentralen så länge cirkulationsflödet hålls konstant. 2.2 Lågflödesinjustering av radiatorsystem Lågflödesinjustering av överdimensionerade radiatorkretsar har fått sin ursprungliga spridning i Sverige, under namnet Kirunametoden, tack vare metodens uppfinnare Östen Sandberg [1]. Förutsättningarna för en lyckad lågflödesinjustering är de samma som för optimering av primärvattnets avkylning, varför metoden här kommer att beskrivas i korthet. Målet med lågflödesinjustering är att åstadkomma rätt inomhustemperatur i den uppvärmda byggnadens alla utrymmen. Med rätt temperatur menas inte samma tem- 14

15 peratur, tvärtom strävar man efter att göra det tekniskt möjligt att kunna tillgodose varierande temperaturkrav i byggnaden, i synnerhet krav på temperatur som är högre än genomsnittet. Grunden för den använda tekniska lösningen är att man dimensionerar systemets radiatorer för låga flöden och stora temperaturfall, vilket kräver radiatorytor som är större än vid traditionell dimensionering, samtidigt som systemets rörledningar dimensioneras för sedvanligt höga flöden. Tekniskt sett motsvarar detta en 55/45 C-dimensionering. Den största fördelen med detta förfarande är att tryckfallet i ledningarna blir relativt litet och då kommer alla radiatorer arbeta vid ungefär samma differenstryck, vilket väsentligt förenklar radiatorernas dimensionering och injustering. En annan viktig fördel är att alla radiatorer i ett sådant system får reservkapacitet. De arbetar ju vid ett lågt flöde, varför det finns utrymme för att öka flödet och därmed öka den avgivna värmeeffekten [2]. En lågflödesinjusterad radiators driftsegenskaper är lättare att förstå om man analyserar de s.k. radiatordiagrammen som visas i Figur 2.4 och 2.5. Vi utgår här ifrån en radiator som är dimensionerad för 80ºC framledningstemperatur och 20ºC avkylning vid dimensionerande effekt. Den relativa lasten och det relativa cirkulationsflöde som krävs vid denna last betecknas 1,0 på diagrammets y- respektive x-axel. De heldragna kurvorna i diagrammet visar sambandet mellan avgiven effekt och cirkulationsflöde vid konstant framledningstemperatur. Vidare, visar de raka linjerna som utgår från origo flödets avkylning i radiatorn, medan de långstreckade kurvorna visar flödets returtemperatur. Diagrammet används primärt så att man väljer ett relativt flöde, förflyttar sig vertikalt upp i diagrammet tills man hittar en korsningspunkt med en heldragen linje som motsvarar den valda framtemperaturen, och så avläser man radiatorns avgivna effekt på y-axeln till vänster. Med hjälp av korsningspunkten och diagrammets övriga kurvor kan även temperaturfallet och returtemperatur avläsas. Ett annat sätt att använda diagrammet är att exempelvis välja en relativ effekt och identifiera vilken framtemperatur som är nödvändig för att denna effekt ska uppnås vid ett givet cirkulationsflöde. Vid konventionell injustering av radiatorer är vi främst intresserade av radiatorns dellastegenskaper, d.v.s. av vad som händer om den levererade framledningstemperaturen blir lägre medan cirkulationsflödet förblir oförändrat. Man kan avläsa i Figur 2.4 att om framtemperaturen sänks till 70ºC så blir avkylningen 16ºC och den levererade effekten sjunker till 80 procent (0,8 i figuren). Sänks temperaturen ytterligare, till 55ºC, så blir avkylningen bara 10ºC och den levererade effekten sjunker till 50 procent (0,5). Detta motsvarar normal effektreglering av radiatorkretsen då utetemperaturen varierar under året. Men vill man leverera 100 procent värmeeffekt, trots att framledningstemperaturen har sänkts som ovan, så får man öka radiatorytan, i vårt fall med 25 respektive 100 procent. Detta innebär utbyte av en radiator mot en som har större yta (effektavgivning), eller komplettering med fler radiatorer. Ytterligare en möjlighet är att man har att göra med radiatorer som redan är överdimensionerade. Då gäller det att hitta en framledningstemperatur som matchar graden av överdimensionering. Ett annat relevant fall är att man i ett befintligt system skulle behöva kompensera för effektbristen i något utrymme där det finns en korrekt dimensionerad radiator. I och 15

16 med att framtemperaturen normalt är fixerad måste detta göras genom att öka vattenflödet genom radiatorn, och det är här vi hittar den konventionella injusteringens svaga sida. Det framgår av diagrammet att en ökning av cirkulationen över normalnivån som systemet är utlagt för, har en begränsat inverkan på den avgivna effekten. Till exempel resulterar en höjning av flödet med 50 procent i att värmeavgivningen ökar med endast 8 procent. Samtidigt ökar tryckfallet till mer än det dubbla (faktor 2,25, se x-axeln). Figur 2.4 Radiatordiagram som beskriver hur en radiator fungerar vid olika framledningstemperaturer och flöden. Den dimensionerande framtemperaturen är 80ºC. Vid normalflöde, 1,0, och 20ºC avkylning, avges normal effekt, 1,0. Returtemperaturen blir = 60ºC. Man ser att värmeavgivningen utefter kurvorna för konstant framtemperatur inte är proportionell mot flödet. Figure 2.4 Diagram describing how a radiator is functioning with different supply temperatures and flows. The design temperature is 80 C. With normal flow, 1.0, and 20 C cooling, the heat output is normal, 1.0. The return temperature is = 60 C. One can see that the heat output following the curves for constant supply temperature is not proportional to the flow. Således är det problematiskt att öka värmeavgivningen i en enskild radiator i ett högflödessystem genom hydraulisk injustering. Dessutom påverkas systemets övriga radiatorer av ett sådant ingrepp. I de flesta fall måste man därför istället höja framtemperaturen för att önskad värmeavgivning ska erhållas i de specifika radiatorerna. En temperaturhöjning påverkar dock alla radiatorer och därför måste en omjustering av radiatorstammar eller av vissa radiatorer genomföras om övervärmning av byggnaden 16

17 ska undvikas. Detta är kostsamt och tidsödande, och görs därför sällan i praktiken. Resultatet blir förhöjd energianvändning i och med att delar av byggnaden får en alltför hög rumstemperatur. I Figur 2.5 visas hur värmeavgivningen påverkas av lågflödesinjustering. Tre olika driftfall visas då framtemperaturen hålls konstant vid 80ºC. Flödet sänks, från det som motsvarar standarddimensionering, med två respektive fem gånger (värde 1,0, 0,5 och 0,2 respektive i diagrammets x-axel). Avkylningen ökar då från 20ºC till 32 respektive 50 grader och den avgivna effekten sjunker från 100 procent till 80 respektive 50 procent. Alternativet med lägst flöde motsvarar det som visats i figur 2.2 i föregående avsnitt. I likhet med fallet då framtemperaturen sänks krävs det alltså större radiatorytor om systemet ska användas vid sänkt flöde. Med utökad yta och sänkt flöde har vi dock, vilket framgår av diagrammet, betydligt större möjlighet att öka värmeavgivningen hos enskilda radiatorer utan att hela systemet påverkas. Vi har ju inte ändrat Figur 2.5 Lågflödesinjustering inritad i ett radiatordiagram. Framledningstemperaturen är samma, 80ºC, medan cirkulationsflödet är sänkt två respektive fem gånger. Radiatorvattnets avkylning ökar till 32 respektive 50ºC och den avgivna effekten sjunker till 80 respektive 50 procent. Flödets relativa inverkan på värmeavgivningen ökar ju lägre flöde som väljs. Figure 2.5 Low flow balancing inserted in the radiator diagram. The supply temperature is kept constant, while the circulation flow is decreased two and five times respectively. The cooling of the space heating system increases to 32 and 50 C respectively and the emitted heat decreases to 80 and 50 per cent respectively. The relative impact from the flow on the heat output increases the lower the flow is chosen. 17

18 på dimensioneringen av systemets rörledningar och därför finns det möjlighet att höja flödet drastiskt för någon eller några få radiatorer utan att tryckfallen blir besvärande. Vi kan exempelvis se att en 50-procentig ökning av flödet, från 0,5 till 0,75 på x-axeln, resulterar i en 16-procentig ökning av värmeavgivningen. För 100 procent ökning blir motsvarande siffra för värmeavgivningen 25 procent om man utgår från relativt flöde 0,5 och 50 procent om man utgår från relativt flöde 0,2. Flödets relativa inverkan på värmeavgivningen ökar alltså ju lägre cirkulationsflöde som väljs som utgångspunkt. Observera att tryckfallsökningen i stammar och fördelningsrör, orsakad av flödesökning i ett mindre antal av systemets radiatorer, blir relativt liten beroende på sammanlagring. Lägre flöde har även andra fördelar, såsom färre ljudproblem och lägre energianvändning för cirkulationspumparnas drift. Termostatventiler får ökad auktoritet jämfört med högflödesdrift vilket ger ett mer följsamt system samtidigt som behovet av strypventiler för individuell injustering av stammar försvinner. Dessutom kan man, i system som är projekterade som lågflödessystem från början, optimera värmeväxlare för ungefär samma strömningshastigheter på både primär- och sekundärsida och fjärrvärmevattnets returtemperatur blir därmed lägre. Man får även uppmärksamma nackdelar med lågflödesinjustering. En uppenbar nackdel är högre radiatorkostnad som i viss mån balanseras av att ventiler för injustering av radiatorstammar inte längre behövs och att en mindre cirkulationspump kan väljas. Det finns åsikter att termostatventiler slammar igen lättare i lågflödesinstallationer och behöver sättas igång i början av uppvärmningssäsongen. Möjligen skulle detta kunna bero på att tryckfallet över termostatventilerna blir lägre vid lågt flöde då man varvar ner den befintliga cirkulationspumpen eller installerar en mindre pump. Fenomenet kan även vara kopplat till enskilda ventilfabrikat. En annan nackdel är att hög framledningstemperatur, som lågflödesinjusteringen kännetecknas av, kan leda till försämrad avkylning av primärvatten om fjärrvärmevattnets framledningstemperatur blir för låg. Lägre flöde leder normalt till ökade temperaturfall i fördelningsledningar, men å andra sidan ökar avkylning av radiatorvattnet i radiatorerna proportionellt ungefär lika mycket. VVS-konsulter som arbetar med lågflödesinjustering anser att det dåliga ryktet som lågflödesinjustering ofta får beror på att man försöker tillämpa metoden utan att ha förstått idén. Möjligheten att kunna variera effektuttaget i enskilda utrymmen i ett lågflödesinjusterat radiatorsystem ger enligt VVS-konsulter möjlighet till ett förfarande kallat energijägararbete. Förfarandet innebär att man i en byggnad som är preliminärt injusterad, successivt sänker radiatorvattnets framledningstemperatur. Detta görs tills man får klagomål från någon av hyresgästerna att det är för kallt. Man kontrollerar då inomhustemperaturen hos hyresgästen och undersöker den aktuella lägenheten med avseende på värmeläckage, åtgärdar eventuella fel (t ex avluftar radiatorer, renoverar eller byter termostatventiler, tätar fönster och dörrar, injusterar ventilationen) och, vid behov, ökar flödet i de aktuella radiatorerna. Därefter fortsätter man den generella temperatursänkningen tills det kommer nya klagomål. Vid enstaka klagomål upprepar man åtgärderna enligt ovan. Är det fler som börjar klaga så höjer man temperaturnivån något och energijakten är avslutad. Man anser att en genomsnittlig besparing uppnås genom detta förfarande resulterar i procent energibesparing i fastigheten. 18

19 3. optimering av radiatorprogram teori Detta avsnitt behandlar de teoretiska förutsättningarna för ett experiment där radiatorflödet sänks i syfte att förbättra avkylningen av primärvatten i radiatorkretsens värmeväxlare. 3.1 Allmänt Hur mycket ändras den primära returtemperaturen, T fjv,ret, då det sekundära cirkulationsflödet ändras? Låt oss först beakta radiatorkretsens (egentligen en radiators) egenskaper först. Vi är vana vid ett tänkande att man utifrån den aktuella byggnadens värmebehov och den tillgängliga radiatorytan väljer ett lämpligt temperaturprogram för ett givet cirkulationsflöde i radiatorerna. Temperaturprogrammet beror då på rådande utetemperatur och realiseras genom att en regulator ger korrekt primärflöde i fjärrvärmecentralens värmeväxlare, så att erforderlig framledningstemperatur i radiatorsystemet erhålls. Värmeflödet från primärvatten, via sekundärvatten, till inomhusluften kan beskrivas av formeln: där ( ) ( ) Q& = m& c T T = m& c T T = K ΔT m rad fjv p fjv, fram fjv, ret, radvvx rad p rad, fram rad, retur rad log, rad (3.1) Q & rad överfört värme, W m& vattenflöde, kg/s c p vattnets specifika värmekapacitet, J/kgK T temperatur, ºC K rad radiatorernas värmeavgivningskoefficient, W/K ΔT log,rad logaritmisk medeltemperaturdifferens mellan radiatoryta och inomhusluft, K m radiatorexponent beräknad enligt SS-EN 442 [11] 3.2 Radiatorsystemets prestanda Vad händer nu med temperaturerna T rad,fram och T rad,retur om cirkulationsflödet, m&, rad sjunker medan Q & ska förbli oförändrad? Självfallet måste radiatorvattnets uppvärmning i värmeväxlaren öka lika mycket som dess flöde har sjunkit, så att produkten m& rad (T T ) förblir konstant. Vid exempelvis lågflödesinjustering förändras tem- rad rad,fram rad,retur peraturerna för att motsvara flödesminskningen, d.v.s. T rad,fram ökar och T rad,retur minskar. Q & förändras inte så länge radiatorflödets temperaturförändringar inte påverkar den rad logaritmiska medeltemperaturskillnaden, ΔT log,rad, mellan radiatorytan och inomhusluften. ΔT log,rad definieras enligt: (3.2) 19

20 Δ Tlog, rad = T ln T ( Trad, fram Trad, retur ) rad, fram rad, retur T T inomhus inomhus Av detta följer att för en given framledningstemperatur och given inomhustemperatur fås en given returtemperatur som kan beräknas för ett önskat värde på ΔT log,rad. I det sammanhanget kan man undra hur radiatorflödet inverkar på radiatorns värmeavgivning. Flödet ingår inte i det sista ledet i ekvation (3.1), vilket kan verka konfunderande. Flödets variationer påverkar dock inte direkt radiatorytans värmeavgivande förmåga därför att värmeövergångsmotståndet mellan radiatorvattnet och radiatorväggen inuti radiatorn är minst tio gånger lägre än motsvarande motstånd mellan radiatorytan och inomhusluften. Flödet påverkar däremot vattnets avkylning genom att vattnets uppehållstid i radiatorn förändras och därmed påverkas radiatorytans medeltemperatur. En minskning av flödet innebär att vattnets uppehållstid i radiatorn ökar, och därmed ökar avkylningen. Resonemanget ovan leder i praktiken till att om värmeeffekten som tillförs radiatorvattnet i värmeväxlaren hålls konstant av reglerutrustningen, oberoende av hur sekundärflöde och de sekundära temperaturerna varierar, så kommer varje förändring av sekundärflödet att resultera i att en ny framledningstemperatur och en ny returtemperatur kommer att ställa in sig automatiskt så att radiatorn kan avge den tillförda effekten. Inomhusluftens temperatur kommer då att hållas konstant under förutsättning att den tillförda värmeeffekten överensstämmer med byggnadens aktuella värmeförluster. Låt oss studera följande händelsekedja. Anta att sekundärflödet sjunker något. Sekundärvattnets uppehållstid i värmeväxlaren ökar och därmed ökar vattnets framledningstemperatur. Den nya temperaturen når radiatorn. Även här har uppehållstiden ökat vilket i stora drag kompenserar för den förhöjda temperaturen. Returtemperaturen kommer att sjunka något och förändringen når fram till värmeväxlaren så småningom. Vid konstant värmetillförsel och konstant sekundärflöde måste sekundärvattnets temperaturhöjning i värmeväxlaren vara konstant, varför framtemperaturen måste följa förändringar i returtemperaturen, jämför ekvation (3.2). Motsvarande förlopp kommer att kunna ses längre fram då fältförsöken redovisas, (Figur 4.3). Ovan nämnda fenomen har en begränsning. Rent teoretiskt kan cirkulationsflödet minskas godtyckligt, men i verkligheten kan den då stigande T rad,fram aldrig överstiga primärvattnets framtemperatur samtidigt som den sjunkande T rad,retur kan aldrig bli lägre än gällande rumstemperatur i den aktuella byggnaden. Det är uppenbart att den stipulerade avkylningen i radiatorkretsen aldrig kan bli större än differensen T fjv,fram T luft,inne. Bara för att åstadkomma T rad,fram lika med T fjv,fram skulle ett oändligt stort primärflöde i radiatorväxlaren krävas. I praktiken sjunker därför den tillförda värmeeffekten om en alltför hög sekundär temperaturdifferens uppstår. 20