Värmebehovsberäknin Kursmaterial Installationsteknik FK Lars Jensen Bearbetat av Catarina Warfvine rev 2001-02-08
Innehållsförtecknin 1 Inlednin 3 2 Värmeeffekt- och värmeeneribehov för en bynad 4 3 Värmeeneribehov för ett ventilationssystem 16 4 Utetemperaturens varaktihet och frekvens 29 Appendix A, Gradtimmetabell 36 Appendix B, Gradtimmetabell 37 Appendix C, Frekvensfunktion 38 Appendix D, Gradtimmetabell 39 Appendix E, Gradtimmetabell 40 2
Värmebehovsberäknin 1 Inlednin Det totala eneribehovet för en bynad är summan av den eneri som krävs för uppvärmnin, ventilation, tappvarmvatten, driftel för pumpar och fläktar, annan fastihetsel samt hushållsel. Eneribehovet beräknas dels eftersom det inår som en vikti post då driftskostnaderna för en bynad ska bestämmas dels för att bedöma den totala livskostnaden för en investerin och dels för att kontrollera att myndiheternas krav på od enerihushållnin för en bynad är uppfyllt. Livskostnadsberäkninar bör utföras såväl för en ändrin i bynadens klimatskal, t ex tilläsisolerin som för en investerin av t ex en ny komponent i ett luftbehandlinsareat. Värmebehovet för en bynad är av två sla: dels den enerimänd som värmesystem ska ave dels den som år åt i ventilationssystemets luftvärmebatteri. För att beräkna värmebehovet finns flera olika metoder att tillripa, allt ifrån enkla handberäkninsmetoder till avancerade datorberäkninsmetoder. I detta avsnitt visas hur man på ett enkelt sätt kan uppskatta värmebehovet med hjälp av en så kallad radtimmemetod. Beräkninstekniskt är det nödvändit att skilja mellan värmebehovsberäknin för både uppvärmnin och ventilation av en bynad vilket beskrivs i kap 2 värmebehovsberäknin för enbart luftbehandlinsareatet, som beskrivs i kap 3 Både beräkninsmetoderna och förutsättninarna för att kunna använda dem presenteras i respektive kapitel. 3
2 Värmeeffekt- och värmeeneribehov för en bynad Värmeförlust från en bynad måste täckas av en motsvarande mänd tillförd värme. Gratisvärmen och den tillförda värmen från värmesystemet i en bynad ska täcka transmissionsförluster, ventilationsförluster och förluster till följd av att huset är luftotätt. Värmnin av ventilationsluften kan ske på två olika sätt. I en bynad ventilerad med S-, FFS- eller F-system tillförs luften uteluftstempererad enom uteluftsdon. Värmarna i aktuella rum dimensioneras så att de kan värma ventilationsluften till önskad innetemperatur. I en bynad ventilerad med FTX-system tillförs rummen ventilationsluft som i luftbehandlinsareatet är värmd till önskad tilluftstemperatur. Även i detta fall värms all ventilationsluft; från uteluftens temperatur till tilluftens temperatur i luftvärmebatteriet och från tilluftstemperaturen till inomhustemperaturen av värmarna i aktuella rum. Ett specialfall av FTXsystemet är luftvärmesystemet där ventilationsluften tillförs så varm att den klarar att täcka hela värmebehovet. Båda dessa fall kan beräkninsmässit behandlas som ett enda fall eftersom all ventilationsluft ska värmas till rumstemperatur och frånluften håller samma temperatur som rumsluften. Värmeförlusterna från en bynad är proportionella dels mot temperaturdifferensen mellan inomhus- och utomhusluft vid normal drift dels mot bynadens täthet och isolerinsrad. Hur eneribehovet täcks kan naturlitvis variera för olika bynader beroende på orienterin, solinstrålnin och verksamhet mm. Klart är dock att utomhustemperaturens förlopp på en ort har stor betydelse för eneribehovet för uppvärmnin och ventilation och inomhustemperaturen är relativt konstant. Värmeeneribehovet är produkten av effekt och den tid som den verkar. Då utetemperaturen varierar med tiden kommer också effektbehovet att variera med tiden. Därför är det lämplit att teckna värmeeneribehovet som E = Pdt (Wh) (2.1) Värmeeffektbehovet P, beräknas med uppifter om bynadens klimatskal som olika ytors storlek och motsvarande U-värden, om bynadens ventilationsflöden, bynadens otäthetsfaktor och aktuella ute- och innetemperaturer. 4
Värmebehovsberäknin 2.1 Värmeeffektbehov Bynadens effektbehov vid aktuell temperaturskillnad mellan ute och inomhus kan beräknas enlit ekvationen nedan där såväl transmissionsförluster, ventilationsförluster, läckaeförluster och värmetillskott inår. Lä märke till skillnaden mellan detta samband och det samband som används då bynadens dimensionerande effekt ska bestämmas. I det sistnämnda fallet tas oftast inen hänsyn till ratisvärmetillskottet och dimensionerande utetemperatur bestäms enlit metod med hänsyn till bynadens tidskonstant och ortens normaltemperatur i januari. En förutsättnin för att använda sambandet nedan är den enhetlia behandlin av förluster som tidiare nämnts, och att inomhustemperatur och frånluftstemperatur är lika. P = Qtot ( Tinne Tute ) Pratis (W) (2.2) där Q tot benämns bynadens totala specifika värmeeffektförlust eller bynadens förlustfaktor och är summan av transmissions-, ventilations- och läckaeförluster. Bynadens totala specifika värmebehov eller förlustfaktor Q blir Q = Q + Q (W/ C) (2.3) tot t v Där Q t står för bynadens specifika värmebehov för transmissionsförluster och Q v är motsvarande för ventilationsförluster och luftläckae. Transmissionsförluster Bynadens specifika värmebehov för transmission beräknas som summan av faktorerna för köldbryor och transmission enom konstruktionsdelar. Q = Q + U A (W/ C) (2.4) t köldbryor j j där Q köldbryor = förlustfaktorn för köldbryor, W/ C U j = U-värde för yta nr j,w/ Cm 2 A j = area för yta nr j, m 2 j Ventilationsförluster Bynadens specifika värmebehov Q v för ventilation och luftläckae beräknas som Q v = ρ c q ( 1 v) d + ρ c q (W/ C) (2.5) vent läckae där ρ = luftens densitet, normalt 1.2 k/m 3 c = luftens värmekapacitet, normalt 1000 J/k, C q vent = uteluftsflöde, m³/s v = verkninsrad för ventilationens värmeåtervinnin, - d = relativ drifttid för ventilationsareat vid ständi drift är d = 1, - q läckae = läckaeluftflöde, m 3 /s Faktorn (1 - v) aner hur stor del av värmen i ventilationsluften som inte återvinns och som därför måste tillföras. Relativa drifttiden d antas vara jämnt fördelad över året och dynet, vilket eentlien är en förenklin eftersom ventilationen i de fall 5
den stäns av, normalt stäns av nattetid och då är utetemperaturen läre än datid. Förlustfaktorn Q v är därför ett medelvärde vilket är en förenklin som leder till att årsvärmebehovet underskattas nåot. Gratisvärmetillskott Gratisvärmetillskottet, P ratis, från solinstrålnin, värmeavivnin från apparater, belysnin, personer etc medverkar till att värmesystemet kan stänas av innan den önskade inomhustemperaturen uppnåtts. Eneribehovet för att öka inomhustemperaturen till önskade 20 C från den s k ränstemperaturen täcks av ratisvärmen. Denna är också skälet till varför det sommartid inte behövs nåon aktiv uppvärmnin trots att utomhustemperaturen är läre än inomhustemperaturen. Gränsen då uppvärmnin behövs är nåot olika för olika hus beroende på ratisvärmetillskott och hur välisolerat huset är. Tidiare erfarenhet visade att ränsen sammanföll med utetemperaturen 17 C medan den i nya hus lier nåot läre. Bereppet ratisvärme kan vara missvisande eftersom spillvärmen från t ex elapparater härstammar från köpt el, men bereppet är inarbetat och används därför. Gratisvärmeeffekten är oftast inte känd men däremot finns det normalvärden på ratisvärmeenerin E ratis att tillå. Man kan räkna med att ratisvärmetillskott per år för en läenhet eller ett småhus är 500 3000 kwh från personer, 1500 3000 kwh från hushållsel och 1000 3000 kwh tack vare solinstrålnin. Det totala ratisvärmetillskottet per år kan alltså variera från 3000 kwh till 9000 kwh för en läenhet eller ett småhus. Med kännedom om denna och ett antaande om att ratisvärmen är jämt fördelad över årets 8760 timmar så kan ratisvärmeeffekten beräknas som Eratis P ratis = (W) (2.6) 8760 Gränstemperatur Gränstemperaturen, T, under vilken aktiv uppvärmnin från värmesystemet krävs, kan beräknas som T Pratis = Tinne ( C) (2.7) Q tot Aktuellt värmeeffektbehov kan nu uttryckas som specifika värmeförlusten multiplicerat med temperaturskillnaden mellan ränstemperaturen och aktuell utetemperatur: P = Q T T ) (W) (2.8) tot ( u 6
Värmebehovsberäknin 2.2 Värmeeneribehov beräknat med radtimmar Sambandet för att beräkna värmeeneribehovet kan skrivas som summan av produkten av erforderli effekt och den tid den verkar: E = Q ( T T ) dt (Wh) (2.9) tot året ute Sambandet kan illustreras i ett varaktihetsdiaram som kompletterats med en kurva för inomhustemperatur och en kurva som visar ränstemperaturen, se Fiur 2.1. Varaktihetsdiaram och radtimmar Bereppet varaktihetsdiaram finns inom måna olika områden och används för att beskriva en variation över ett ivet tidsintervall, normalt ett år. Ett varaktihetsdiaram som används för värmebehovsberäkninar konstrueras enom att sortera uteluftens temperatur på en ort i stiande eller ibland även fallande ordnin och rita upp utetemperaturen som funktion en tidsaxel vanlien 8760 h. I VVShandboken och andra klimathandböcker finns varaktihetsdiaram för ett antal orter. Genom att läa in en temperaturkurva motsvarande den temperatur som värmesystemet ska värma upp till, bildas en yta mellan temperaturkurvorna T ute och T som motsvarar interalen i ekvation 2.9. Eftersom varaktihetsdiarammets axlar har enheten C respektive timmar kommer ytan att ha enheten Ch som i dalit tal kallas radtimmar. Bereppet radtimmar betecknas i det följande G t. ( Träns Tute ) G = dt ( Ch) (2.10) t året Gradtimmarna aner alltså det specifika värmeeneribehovet, dvs summan av temperaturskillnaden mellan inne- och uteluft multiplicerat med den tid under vilken skillnaden råder vilket motsvaras av den markerade ytan i diarammet nedan. T inne T räns T ute Fiur 2.1 Utetemperatur, rumstemperatur och ränstemperatur som funktion av tiden under ett år. Den randit markerade ytan motsvarar antal radtimmar för aktiv uppvärmnin och ytan mellan T ute och T räns i höra delen av diarammet motsvarar antalet radtimmar för kylnin. Då ränstemperaturen är läre än utetemperaturen uppstår ett kyleneribehov. För att hålla den önskade temperaturen inomhus krävs aktiv kylnin under den tid då utetemperaturen överstier ränstemperaturen. Kylsystem förekommer dock en- 7
dast i vissa bynader som kontor och andra lokaler. I övria bynader accepteras istället övertemperaturer inomhus under den varma delen av året. Vid handberäknin av värmeeneribehov för en bynad använder man si normalt antinen av varaktihetsdiaram för aktuell ort, eller så används tabellerade värden av ytans storlek i så kallade radtimmetabeller. Eftersom radtimmetabellen er ett värde direkt, till skillnad från varaktihetsdiaram, kommer beräkninstekniken med varaktihetsdiaram inte att redovisas här. Gradtimmetabeller används i detta kapitel för beräknin av värmeeneribehov för att täcka ventilationsförluster och transmissionsförluster. Det finns också radtimmetabeller för separata beräkninar av transmissions- och ventilationsförluster. Inånsdata i radtimmetabellen är aktuell orts normalårstemperatur och den aktuella bynadens ränstemperatur. Graddaar Istället för att uttrycket värmeeneribehov i radtimmar används ibland bereppet raddaar, eller eentlien raddyn. Graddaar beräknas på samma sätt som radtimmar med upplösninen dyn istället för timmar med en viss temperaturskillnad. Av tradition beräknas antalet raddaar som summa över året mellan innetemperaturen 17 C och utetemperaturen men endast när utetemperaturen är läre än 11 C. Gränsen 17 C valdes för att ratisvärmetillskottet antos täcka värmebehovet från 17 C till 20 C. Temperaturränsen 11 C valdes för att över denna utetemperatur antos att ratisvärmetillskottet täckte hela värmebehovet och för att uppvärmninen oftast är avständ under sommaren. Antalet raddaar varierar från 3000 till 6000 i Sverie för ett normalår. Beräknin av värmeeneribehov Värmebehovet för att värma bynaden från utetemperatur till ränstemperaturen under ett år blir alltså den totala specifika värmeförlusten, Q tot multiplicerat med antalet radtimmar G t. E = Q tot G t (Wh) (2.11) Den klimatberoende delen, G t finns tabellerad i Appendix A efter ortens aktuella normalårstemperatur, T un och efter ränstemperaturen T. Gradtimmar är tabellerade efter ränstemperaturen, T från -5 till 25 C och normalårstemperaturen, T un från -2 till 8 C. Normalårstemperatur är inte samma sak som årsmedeltemperatur utan utetemperaturens årsmedianvärde under ett år, dvs den temperatur som delar normalårets temperaturer mitt itu. Som en od approximation kan dock båda temperaturerna sättas lika. Normalårstemperatur för olika orter es av Tabell 2.1. Gradtimmar är tabellerade för ränstemperaturer och normalårstemperaturer i hela rader, men för andra värden kan interpolation användas med od norannhet. Felet som beås vid interpolation av normalårstemperaturen och ränstemperaturen är mindre än 100 Ch respektive 50 Ch. 8
Värmebehovsberäknin Tabell 2.1 Normalårstemperaturer för nåra orter i Sverie. Ort Normalårstemperatur C Malmö 8.0 Växjö 6.5 Kalmar 7.0 Götebor 7.9 Karlstad 5.9 Örebro 5.9 Stockholm 6.6 Östersund 2.7 Umeå 3.4 Luleå 3.0 Kiruna -1.2 Nyttijord ratisvärme och utnyttjninsrad Värmen som aves från värmeinstallationer under en period då inomhustemperaturen redan är tillräcklit hö är ej nyttijord för uppvärmnin. Anledninen till den onyttia värmeavivninen är bristande funktion hos installationer men kan också bero på att värmeavivninen varit nödvändi av komfortskäl. Kallras och dra kan uppstå om en radiator under ett fönster stäns av varvid medeltemperaturen inomhus kommer att lia över den önskade. Det finns inen direkt proportionalitet mellan ändrin i Q tot och värmeeneribehovet E. Detta beror på att då en bynads eenskaper förändras så förändras både Q tot primärt och T sekundärt och därmed också den klimatberoende delen G t. Det är möjlit att beräkna hur stor del av ett ratisvärmetillskottet som verklien nyttiörs för uppvärmnin och ventilation. Först måste det totala värmebehovet beräknas som om ränstemperaturen utörs av den önskade inomhustemperaturen, dvs som om det inte finns nåon ratisvärme. Därefter beräknas det verklia eneribehovet då hänsyn tas till ratisvärmen, dvs hur mycket värmesystemet levererar. Skillnaden mellan dessa resultat i förhållande till det verklia ratisvärmetillskottet er den så kallade utnyttjninsraden, v u som motsvarar hur stor del ratisvärmen står för. v u = E u tan ratisvärme E E ratisvärme med ratisvärme (-) (2.12) 9
2.3 Värmebehov beräknat med årsmedeltemperatur I de fall man inte har tillån till en radtimmetabell eller då man vill öra ett rovt översla på en bynads värmebehov för uppvärmnin, ventilation och luftläckae är det möjlit att istället öra beräkninen med hjälp av ortens årsmedeltemperatur och bynadens specifika värmeförlust. Beräkninen år ut på att årsmedeltemperaturen, T um, och därmed temperaturskillnaden antas vara konstant under årets alla timmar. Ekvationen för att beräkna värmeeneribehovet under ett år lyder i så fall: E Q ( T T ) 8760 (Wh) (2.13) = tot um Där 8760 är antalet timmar på ett år. Motsvarande antal radtimmar, G m beräknas med årsmedeltemperaturen som Gm = 8760 ( T Tum ) ( Ch) (2.14) Metoden kan användas för att uppskatta t ex hur stor eneribesparinen blir vid en sänknin av innetemperaturen. En rads sänknin av ränstemperaturen från t ex 20 till 19 C motsvarar en relativ besparin i södra Sverie på 8% om årsmedeltemperatur är 8 C. Samma temperatursänknin i norra Sverie där årsmedeltemperaturen kan vara 0 C er endast en besparin på 5%. Dock blir den absoluta besparinen större i norra Sverie än i södra Sverie på rund av den länre uppvärmninssäsonen. Metodfel vid värmebehovsberäknin med årsmedeltemperatur Värmebehovsberäkninar jorda efter denna metod kan medföra stora fel i resultatet om årsmedeltemperaturen väljs fel. Det räcker med ett fel på 0.1 C för att felet ska bli 867 Ch. Då ränstemperaturen är läre än utetemperaturen uppstår som tidiare nämnts ett kylbehov. För att hålla den önskade temperaturen inomhus krävs aktiv kylnin under den tid då utetemperaturen överstier ränstemperaturen för att täcka kylbehovet. Det enerella felet man ör vid beräknin med beräkninsmetoden som byer på årsmedeltemperaturen är att kylbehov kvittas mot värmebehov varvid dessa tar ut varandra på ett felaktit sätt. Det kan innebära att årsvärmebehovet blir noll om årsmedeltemperaturen råkar vara lika med ränstemperaturen trots att det naturlitvis måste finnas ett värmebehov under den kalla delen av året. Detta har kvittats bort mot ett lika stort kylbehov under den varma delen av året. Då kylbehovet är noll, dvs T är läre än T um uppstår inte det nämnda felet. I fiur 2.2 visas två principexempel på temperaturkurvor som används vid beräknin av årsvärmebehov. Årsmedeltemperaturen är 8 C. I det fall då T = 20 C uppstår inet kylbehov och därmed inet fel om en beräknin skulle öras med nämnda metod. Däremot blir felet stort då T = 10 C eftersom ett kylbehov uppstår mellan timmarna ca 3000 och 6800. 10
Värmebehovsberäknin T =20 C T =10 C T utemedel =8 C Fiur 2.2 Två exempel på ränstemperaturer där den övre, vid beräknin med årsmedeltemperaturen, er ett korrekt värde på värmebehovet medan den läre er ett felaktit. Felet vid beräknin av värmeeneribehovet på detta sätt motsvarar storleken på kylbehovet vilket kan bestämmas enom att dela upp det totala antalet radtimmar i en del som utör värmebehov och en del som utör kylbehov. Dvs antalet radtimmar G m delas i en positiv del som utör värmebehovet, G t+ där T är större än T u och en neativ del, G t- som motsvarar kylbehovet, där alltså T är mindre än T u G G G ( Ch) (2.15) = + m t+ t Den positiva delen är antalet radtimmar för värmebehovet och definieras som Gt+ = ( T Tu ) dt T > T u ( Ch) (2.16) året Den neativa delen är antalet radtimmar för kylbehovet och beräknas som G 8760 T T G ( Ch) (2.17) t = ( um ) t Ovanstående uttryck kan användas för att bestämma felet vid beräknin av metodfelet vid beräknin av värmebehov med årsmedeltemperatur och då det nåon ån under året eentlien finns ett kylbehov. 2.4 Värmebehovsberäknin med radtimmar med två utetemperaturberoende variabler Beräkninsmetoden beskriven i detta kapitel kan också tillämpas på ett beräkninsfall med två utetemperaturberoende faktorer. Dessa kan vara t ex inomhustemperatur och ratisvärmetillskott. Anta att det finns två temperaturfunktioner T 1 och T 2 som båda är linjära med utetemperaturen T u, dvs T1 = T10 + 1 ( C) (2.18) T u T2 = T20 + 2 ( C) (2.19) T u där T 10 respektive T 20 betecknar T 1 respektive T 2 då T u = 0. 11
Antalet radtimmar som skall beräknas es av interalen G 21 = ( T2 T1 ) dt T 2 > T 1 ( Ch) (2.20) året Insättnin av (2.18) och (2.19) i (2.20) er G 21 = ( T20 T10 + ( 2 1) T u ) dt ( Ch) (2.21) året vilket efter förenklin er där och G 21 = ( T T ) dt T > T u ( Ch) (2.22) året u = 1-2 (2.23) T ( T20 T10 ) = ( C) (2.24) ( ) 1 2 Kravet T 2 > T 1 motsvaras nu av T > T u. Gränsfallet T 2 = T 1 bestämmer också ränstemperaturen T enlit (2.24). Gradtimmeberäkninen har nu överförts på den tidiare kända formen mellan en fast temperatur och utetemperaturen. Enda skillnaden är faktorn och den beräknade ränstemperaturen T. Det tidiare beräkninsfallet motsvaras här av T 2 = T och T 1 = T u, vilket fås med T 20 = T, 2 = 0, T 10 = 0 och 1 = 1. En utetemperaturberoende ränstemperatur kan i värmefallet bero på utetemperaturberoende innetemperatur och/eller ratisvärmetillskott. Hur värmebehovet kan beräknas redovisas nedan för ett sådant fall. Definiera utetemperaturberoende innetemperatur T i och ratisvärmeeffekt P enlit T i = T i0 + i T u ( C) (2.25) P = P 0 + T u (W) (2.26) Värmeeffekten kan enom att utnyttja (2.25) och (2.26) och förenklin skrivas som P 0 P = Q T + i0 1 i Tu (W) (2.27) Q Q Parametrarna och T blir nu =1 + i (2.27b) Q T P 0 T f 0 Q = ( C) (2.28) Det totala värmebehovet E es i detta fall av E = Q G t (Wh) (2.29) 12
Värmebehovsberäknin Exempel 2.1 a) Beräkna värmebehovet under ett år för ett småhus med följande data: Specifika transmissionsförlusterna för ett småhus har beräknats med hjälp U- värden och uppmätnin av ytornas storlek till 83 W/ C. Huset är ventilerat med F- system med ventilationsflödet 0.035 m³/s. Det finns inen möjlihet till återvinnin av värmen i frånluften vars fläkt ständit är i drift. Gratisvärmetillskottet är 4380 kwh och aktuell normaltemperatur för orten är 2 C. Innetemperaturen är 21 C. Beräkna Q v enlit (2.5) Q v = 1200 0.035(1-0)1 = 42 W/ C Beräkna Q enlit (2.3) Q = 83 + 42 = 125 W/ C = 0.125 kw/ C Beräkna P enlit (2.6) P = 4380 / 8760 = 0.5 kw = 500 W Beräkna T enlit (2.7) T = 21-500 / 125 = 17 C Bestäm G t ur Appendix A för T un = 2 C och T = 17 C, vilket er G t = 134100 Ch Beräkna E enlit (2.11) E = 0.125 134100 = 16762.5 kwh = 16.8 MWh b) Som a) men ratisvärmeeffekten är fördubblad T = 21-1000 / 125 = 13 C G t = 103100 Ch E = 0.125 103100 = 12887.5 kwh = 12.9 MWh c) Som a) men man funderar på att tilläsisolera bynaden. Aktuell tilläsisolerin förbättrar specifika transmissionsförlusten till Q t = 58 W/ C. Q = 58 + 42 = 100 W/ C = 0.1 kw/ C T = 21-500 / 100 = 16 C G t = 126100 Ch E = 0.1 126100 = 12610 kwh = 12.6 MWh Observera att Q minskar med 20% mellan a) och c) men att E minskar med 25%. Detta beror på att om en bynads eenskaper förändras, då förändras både Q och T och därmed också den klimatberoende delen G t. 13
d) Beräkna hur stor del av ratisvärmetillskottet i exempel a) och b) som nyttiörs för uppvärmnin och ventilation. Det totala värmebehovet fås för ränstemperaturen T = 21 C och för övrit samma värden som i a). G t = 167500 Ch E = 0.125 167500 = 20937.5 kwh = 20.9 MWh exempel total utnyttjad utnyttjninsrad a) 4.4 4.1 (20.9-16.8) 0.93 b) 8.8 8.0 (20.9-12.9) 0.91 Exempel 2.2a) Beräkna värmebehovet för att värma endast ventilationsluften vid frånluftsventilerin: All ventilationsluft ska värmas till 20 C. Normalårstemperatur för orten där bynaden är placerad är 0 C och ventilationsflöde 1 m³/s. Frånluften är försedd med ett återvinninsareat där hälften av värmen kan tas tillvara, dvs v = 50%. Fläkten är avständ halva dynet året om varvid drifttid blir 4380 h. Beräkna Q v enlit (2.5) Q v = 1200 1 (1-0.5) 0.5 = 300 W/ C = 300 W/ C Gratisvärmeeffekten antas vara 2400 W. Beräknin av ränstemperaturen T enlit (2.7) er T = 20-2400 / 300 = 12 C Motsvarande radtimmar och årsvärmebehov blir G t = 112400 Ch E = 300 112400 = 33720 kwh = 33.7 MWh Dela nu upp beräkninen i drift och icke drift istället. Fallet icke drift kräver inen värme och ratisvärmetillskottet kan heller inte utnyttjas. Ventilationens förlustfaktor Q v beräknas för driftsfallet till Q v = 1200 1 (1-0.5) = 600 W/ C = 600 W/ C Motsvarande T, G t och E blir T = 20-2400 / 600 = 16 C G t = 71900 Ch (för drift halva året) E = 600 71900 Wh = 43140 kwh = 43.1 MWh Skillnaden mellan de två beräkninssätten är betydande. 14
Värmebehovsberäknin Exempel 2.2b) Som exempel a) men ratisvärmetillskottet existerar endast under ventilationens drifttid, dvs P = 4800 W. Gränstemperaturen ändras nu för driftfallet till T = 20-4800 / 600 = 12 C G t = 56200 Ch (för drift halva året) E = 600 56200 Wh = 33720 kwh = 33.7 MWh Skillnaden är nu noll mellan de två metoderna. Exempel 2.3 Beräkna årsvärmebehovet för en bynad med Q=600 W/ C, en konstant innetemperatur 30 C, inet ratisvärmetillskott och normalårstemperaturen 6 C. Hösta ränstemperatur i radtimmetabellen i Appendix A är 25 C. Använd årsmedeltemperaturen i Appendix C istället. Felet är kylbehov över 30 C, vilket är försumbart. E = 600 8760 ( 30-6.12 ) Wh E = 125.5 MWh Exempel 2.4 Beräkna kyleneribehovet under ett normalår för en bynad med Q=600 W/ C, en konstant innetemperatur -30 C, inet ratisvärmetillskott och normalårstemperaturen 6 C. Lästa ränstemperatur i radtimmetabellen i Appendix B är -25 C. Använd årsmedeltemperaturen i Appendix C istället. Felet är värmebehov under -30 C, vilket är noll redan för ränstemperaturen -15 C enlit radtimmetabellen i Appendix B. E = 600 8760 ( 6.12 - -30 ) Wh E = 189.8 MWh 15
3 Värmeeneribehov för ett ventilationssystem Behandlin av tilluften i ett FTX-system är mycket värmekrävande. Tilluften utörs av uteluft och då är det fråa om värmnin från utetemperatur till den inblåsninstemperatur som tilluften ska ha. Tilluftstemperaturen är normalt mellan +15 C och +20 C beroende på anläninens och bynadens utformnin, verksamhetens art etc. Numera förses i princip alla nya luftbehandlinsanläninar med nåon form av värmeåtervinnin där värmen i frånluften tas tillvara för att värma tilluften. I detta kapitel ska beräknin ske av bl a hur mycket värmeeneri som sparas enom att utnyttja olika effektiva värmeåtervinnare. Oberoende av återvinninsanläninens typ medför dessa värmeväxlare ökat strömninsmotstånd i luftsystemet och därmed ökad förbruknin av eleneri för fläktdrift. Vid en bedömnin av återvinninsanläninens värde skall ivetvis värdet av den extra fläktelenerin dras av från värdet av den återvunna värmeenerin. Vidare måste den skötsel och det underhåll som återvinninsanläninen kräver beaktas. Som tidiare nämnts skiljer si beräkninsmetoderna åt beroende på om hela bynadens värmeeneri för uppvärmnin och ventilation ska beräknas eller om enbart värmeenerin för luftbehandlinsareatet ska beräknas. I tidiare kapitel har den första metoden beskrivits och i detta kapitel kommer den senare metoden att beskrivas där ina bynadsberoende faktorer inår. Med denna beräkninsmetod tillåts både till- och frånluftstemperaturen att variera med utetemperaturen. I ett FTX-system inår en värmeåtervinninsapparat eller möjlihet till återluftförin för att minska kostnader för att värma ventilationsluften. Återluft är en typ av värmeåtervinnin och kan också behandlas som sådan. Återluftsandelen motsvarar då temperaturverkninsraden i ett återvinninsareat. Återluftsandelen styrs så att tilluftstemperaturen så lånt som möjlit blir lika med den önskade, vilket motsvarar att verkninsraden anpassas efter behovet. Temperaturbeteckninar i ett luftbehandlinssystem I fiur 3.1 nedan visas en principiell bild av ett ventilationssystem med lokalerna som ska ventileras. Här visas också luftbehandlinsareatet och dess komponenter som värmer eller kyler luften. Uteluften, T u som tillförs luftbehandlinsareatet kommer i första steet att värmas av värmeåtervinninsareatet som tillvaratar en viss del av värmen i frånluften. Värmeåtervinnaren i ett luftbehandlinsareat kan vara t ex av typen roterande värmeväxlare, batterivärmeväxlare, plattvärmeväxlare etc. Beskrivninen av hur dessa funerar och för- och nackdelar finns att läsa i kompendiet till den 16
Värmebehovsberäknin allmänna kursen i Installationsteknik. Värmeväxlarens effektivitet beskrivs av temperaturverkninsraden här betecknad med v. Temperaturen efter värmeåtervinninsareatet benämns återvunnen temperatur och betecknas T å. Den kan vara tillräcklit hö för att räcka som tilluftstemperatur men behöver annars värmas i ett eftervärmninsbatteri. Efter detta benämns luften tilluft, T t och dess temperatur tilluftstemperatur. Frånluften, T f som passerat värmeåtervinninsareatet kommer att kylas ner då värmen överförs till tilluften. Då frånluften passerat värmeåtervinninsareatet benämns den T a. Här följer en sammanställnin av temperaturstorheterna som används i detta kapitel T u är uteluft T t är temperaturen på den tilluft som tillförs lokalerna är temperaturen på den frånluft som lämnar lokalerna T f T i är temperaturen på den luften i lokalerna T a är temperaturen på den luft som lämnar bynaden dvs avluftstemperaturen. T å är temperaturen på tilluften då den passerat värmeåtervinninsareatet innan den passerat eftervärmaren. T ab är en temperaturbetecknin som används i stället för T a då återvinninen beränsas p a frysrisk. T åb är en temperaturbetecknin som används i stället för T å då återvinninen beränsas p a frysrisk. vvx Fiur 3.1 Bynad och ventilationssystem med återvinnin. Illustration av temperaturer i ventilationssystemet I fiuren 3.2 nedan illustreras hur de olika temperaturerna varierar med utetemperaturen som illustreras av den nedersta linjen i diarammet T u. Den översta linjen visar frånluftstemperaturen som i detta exempel är konstant T f = 25 C, dvs oberoende av utetemperaturen. Ofta är inomhustemperaturen lika med frånluftstemperaturen. I detta exempel varierar tilluftstemperaturen med utetemperaturen så att ju varmare det är ute desto svalare ska tilluften vara: T t = 15-0.2 T u 17
T f T t T å T åb T ab T a T u Fiur 3.2 Exempel på de olika temperaturkurvorna som funktion av Tu. Temperaturverkninsrad Kurvan därunder visar temperaturen på tilluften då den passerat värmeåtervinninsareatet. Denna temperatur T å varierar både med frånlufts- och utetemperaturen och kan beräknas med kännedom om värmeväxlarens temperaturverkninsrad v som definieras som förhållandet mellan den temperaturskillnad som nyttiörs och den maximalt tillänlia temperaturskillnaden då alla till- och frånluftsflöde är lika stora: 18 v T å u = (3.1) T f T T u I fiuren illustreras ett värmeåtervinninsareat med temperaturverkninsraden 0.7. Ju effektivare ett värmeåtervinninsareat är desto varmare blir tilluften efter areatet och desto svalare blir avluften. Påfrysnin i värmeåtervinnaren Om värmeåtervinninen är för effektiv, dvs återvinnaren har för hö verkninsrad, finns det risk för påfrysnin i värmeväxlaren vid låa utetemperaturer. Dapunkten för den fuktia frånluften underskrids varefter den bildade kondensen kan frysa vilket leder till att värmeväxlaren fryser ien och inte kan överföra värme från frånluft till tilluft effektivt. Isbildnin som skett i värmeåtervinninsareatet måste dessutom smältas bort vilket är enerikrävande. Påfrysnin överhuvudtaet och därmed avfrostnin, kan enklast undvikas enom att temperaturverkninsraden releras ner så att inte fryspunkten underskrids i värmeåtervinnaren på frånluftssidan. Avfrostnin kan också ske enom uppvärmnin av värmeväxlaren antinen med tillsatsvärme eller enom att tilluftsflödet stoppas, varvid den varma frånluften tinar värmeväxlaren. Totalt sett medför detta att en del värme i frånluften inte kan återvinnas. En enkel beränsnin, som sat, för att förhindra påfrysnin är att relera temperaturverkninsraden så att frånluftstemperaturen efter värmeåtervinninen, dvs avluftstemperaturen, aldri sänks under en viss beränsninstemperatur, t ex 0 C som i fiuren. Denna beränsninstemperatur kan i följande beräkninar väljas fritt och kallas i fortsättninen för T ab vilket står för beränsad avluftstemperatur.
Värmebehovsberäknin Konsekvensen av denna beränsnin av avluftens temperatur är att temperaturen på tilluftsflödet efter värmeåtervinninsareatet, dvs den återvunna temperaturen T å, också kommer att beränsas. Denna beränsninstemperatur orsakad av kraven på avluftstemperaturen benämns i fortsättninen T åb. Kylbehov Nedrelerin av temperaturverkninsraden måste också ske under den varma delen av året för att inte tilluftstemperaturen ska överstia sitt börvärde. Nedrelerin startar vid den utetemperatur då T å är höre än T t. vilket i fiur 3.2 illustreras av den punkt där de två linjerna skär varandra. För att erhålla rätt temperatur på tilluften under den varma delen av året då tillluftstemperaturen är läre än vad uteluftens temperatur är, måste uteluften kylas. I fiur 3.2 illustreras vid vilken uteluftstemperatur detta ska ske med skärninspunkten av linjen för tilluftstemperatur och linjen för uteluftstemperatur. I vissa fall är det möjlit att utnyttja värmeåtervinninsareatet för att kyla uteluften som ska bli tilluft. Detta är dock endast möjlit när frånluftstemperaturen är läre än uteluftstemperaturen. Genom att återvinninen utnyttjas även för att kyla luften minskas behovet av köpt kyleneri. 3.2 Värmeenerimänder i olika tillämpninsfall Vid eneriberäkninar av värmnin av luftströmmarna i ett luftbehandlinsareat är det av intresse att ta reda på enerimänderna i fallen enlit nedan. Beräkninsmetoden är i princip densamma för alla fall. Dock skiljer si sätten att beräkna de olika enerimänderna varför tillämpninsfallen är numrerade från fall a) till fall h) för att underlätta användninen. Efter den kortfattade presentationen av de olika fallen nedan, visas den enerella beräkninsmetoden varefter beräkninen av respektive fall redovisas. Fall a; Totala enerimänden i frånluftsflödet som beräknas för att ta reda på hur mycket eneri som teoretiskt skulle kunna återvinnas. Fall b; Enerimänden som krävs för att värma tilluftsflödet då värmeåtervinnare saknas. Fall c; Enerimänden som måste tillsättas (köpas) för att värma tilluftsflödet då värmeåtervinnare finns och då inen beränsnin av avluftstemperaturen sker. Fall d; Den enerimänd som inte kan återvinnas på rund av risken för påfrysnin i värmeåtervinnaren. Fall e; Den totala enerimänd som måste tillsättas (köpas) för att värma tillluftsflödet då värmeåtervinnare finns och då beränsnin sker av avluftstemperaturen. Fall ; Enerimänden som krävs för att kyla uteluften till erforderli tilluftstemperatur då värmeåtervinninsareat inte används. Fall h; Enerimänden som kan återvinnas vid kylnin av uteluften till erforderli tilluftstemperatur då värmeåtervinninsareat används, dvs den kyleneri som inte behöver köpas. 19
3.3 Beskrivnin av den enerella beräkninsmetoden för värme- och kyleneribehov För att kunna använda beräkninsmetoden måste två viktia förutsättninar vara uppfyllda: till- och frånluftsflöde måste vara lika stora vid återvinnin tas inen hänsyn till den värme som friörs vid kondenserin i värmeåtervinninsareatet, dvs återvinninen ska vara torr. Värme- eller kyleneribehovet, E, för alla de fall som nämnts ovan kan beräknas enlit samma princip som användes för att beräkna totala värmeeneribehovet för hela bynaden i avsnitt 2. Sambandet ser ut som nedan: E = ρ c q d G (Wh) (3.2) p vent ρ = luftens densitet, normalt 1.2 k/m 3 c = luftens värmekapacitet, 1000 J/k, C q = ventilationsflöde, m 3 /s d = relativ årsdrifttid, - = korrektionsfaktor, - G t = antal radtimmar, Ch t För vart och ett av fallen beräknas en korrektionsfaktor och ett antal radtimmar som funktion av en för varje fall specifik ränstemperatur. Gränstemperaturen måste också beräknas för vart och ett av fallen eftersom den används som inånstemperatur tillsammans med ortens normalårstemperatur i radtimmetabellen. En ränstemperaturer aner som tidiare nämnts vid vilken utetemperatur som temperaturskillnaden är noll. Detta år enkelt att läsa av som skärninar mellan de temperaturer som inår i den aktuella skillnaden i fiur 3.2. Korrektionsfaktor för respektive fall motsvarar skillnaden i lutnin för de två temperaturlinjerna. Vissa ränstemperaturer T kan bli mycket låa och också neativa. Betydelse av temperaturverkninsraden inverkan inår i produkten G t för aktuella fall. De olika fallens korrektionsfaktorer och ränstemperaturer beräknas enlit sammanställnin nedan. Antalet radtimmar som funktion av T och aktuell orts normalårstemperatur T un redovisas i tabeller i Appendix A och B. Funktioner för till-, från- och återvinninstemperatur Frånluftstemperaturen kan skrivas på formen: T f = T 0 + T ( C) (3.3) f f u Tilluftstemperaturen kan skrivas på formen: T = T 0 + T ( C) (3.4) t t t u där T f0 respektive T t0 betecknar T f respektive T t då T u = 0. Funktionen av temperaturen på luftflödet efter återvinninsareatet, T å kan efter omskrivnin och införandet av T f skrivas som en linjär funktion av utetemperaturen T u : T å = v T 0 + (1 v + v ) T ( C) (3.5) f f u 20