Behovsstyrd ventilation (DCV) och dess tillämpning i skolbyggnader

Behovsstyrd ventilation (DCV) och dess tillämpning i skolbyggnader Mari-Liis Maripuu CIT Energy Swegon Air Academy, 2010 11

Innehåll Inledning Begreppet Behovsstyrd Ventilation Tillämpning av behovsstyrning i skolbyggnader och tekniska aspekter Ekonomiska aspekter på behovsstyrd ventilation

INNEKLIMAT Klimathållningssystem måste försäkra: God luftkvalitet Ingen risk för hälsa För välbefinnande Gott termiskt klimat Ingen risk för drag Temperatur inom komfortområden Gott ljudklimat Inget buller från installationer

VÄRME-, VENTILATION- OCH KOMFORTKYLSSYSTEM Påverkar termiskt klimat och luftens renhet Termiskt klimat Lufttemperatur, yttemperaturer luftens rörelse, luftfuktighet Luftföroreningar Gaser (t.ex. CO 2, H 2 O, O 3, NO 2, etc.); Partiklar Värme tillförsel (+) Kyla bortförsel (-) Ventilation tillförsel (+) bortförsel (-) Gaser bortförsel (-) Partiklar bortförsel (-) CAV-system System med konstant luftflöde (1 eller 2 steg, t.ex. on/off ) VAV-system System med variabel luftflöde (>2 steg eller kontinuerlig flödesändring) System med variabelt luftflöde med kontinuerlig flödesändring behovsstyrd ventilation (DCV-system) (Demand Controlled Ventilation )

BEHOVSSTYRD VENTILATION Ett ventilationssystem där luftflöde till rum automatiskt anpassas till det behov som finns Ventilationsbehovet bestäms av krav som ställs på luftkvalitet och termiskt klimat

DCV-SYSTEM vs CAV-SYSTEM Styrning av termiskt klimat (värmebortförsel) Styrning av luftkvalitet (bortförsel av luftföroreningar) DCVsystem Värmetillskott- Värmeunderskott, W/m 2 Antal personer CAV-system kyleffekt Värmeförluster med ventilation Värmeunderskott 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Värmeöverskott Tid CAVsystem DCV-system kyleffekt 8:00 12:00 16:00 Tid

FÖRDELAR MED DCV-SYSTEM Minimering av energianvändning för ventilation Lägre elenergianvändning för fläktdrift Lägre uppvärmningsbehov för tilluft Man kan utnyttja frikyla en stor del av året Bibehålla låga tilluftstemperaturer Inget behov av eftervärmning i rummet

FÖRDELAR MED DCV-SYSTEM EXEMPEL 1 Renoverad kontorsbyggnad (CAV DCV) 3500 m 2 (BTA) med bland annat 107 kontorsrum Energianvändning för ventilation före och efter renovering 20 Energiåtgärd Inneklimatförbättring kwh/m 2 år 15 10 Före Efter 5 0 Tillsatsvärme för tilluft Elenergi för fläktdrift Tillsatskyla för tilluft (fjärrkyla)

FÖRDELAR MED DCV-SYSTEM EXEMPEL 1 Renoverad kontorsbyggnad (CAV DCV) 3500 m 2 (BTA) med bland annat 107 kontorsrum Electric Airflow Power [kw] rate [m³/s] 7 6 5 4 3 2 1 0 Dimensionerade flöde 5.6 m 3 /s Airflow Supply rate airflow m3/s Electricity Power kw Tilluftsflöde Medelflöde 4.2 m 3 /s Medeleffekt 2,6 kw Eleffekt 0 2000 4000 6000 8000 Time, [h/year]

FÖRDELAR MED DCV-SYSTEM EXEMPEL 2 Exempel 2: Ombyggd kontorsbyggnad (universitetets admin) 2500 m 2 (BTA) med bland annat 76 kontorsrum Electric Airflow Power [kw] rate [m³/s] 4 3 2 1 0 Dimensionerade flöde 3,6 m 3 /s Supply airflow rate m3/s Electricity kw Medelflöde 1,3 m 3 /s Medeleffekt 0,5 kw 0 2000 4000 6000 8000 Time, [h/year]

ANVÄNDNING AV LOKALER Exempel: kontorsbyggnad (universitetets admin) Totalt antal kontorsrum 76 Samtidighetsfaktor (occupancy factor) OF N N använda _ rum Alla _ rum Occupancy factor OF 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Measurement every 4,5 minute Maximum Average Minimum 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 Time

BEHOVSSTYRNING I LOKALBYGGNADER För lokaler där det finns stor variation mellan låg och hög belastning Konferensrum,hörsal Skolor; Restauranger; Biografer, teatrar; Kontorsbyggnader; Ju mer de interna belstningarna varierar i tiden desto större energibesparingar kan förväntas

TILLÄMPNING AV DCV-SYSTEM ATT TÄNKA PÅ: 1) Vad dimensionerar luftflödena? Bortförsel av luftföroreningar (luftkvalitet) Bortförsel av värmetillskott (termiskt klimat) 2) Vad är lämplig indikator för reglering av luftflöden? 3) Vilka mättekniker finns (typ av givare)? 4) Vilka är kraven på styrsystemet? 5) Vilka är kraven på systemkomponenterna?

BEHOVSSTYRNING I SKOLOR Luftflödena bestäms efter kravet på luftkvalitet Luftkvalitet påverkas av föroreningar från människor och deras verksamhet människor inredning uteluft Byggnadsmaterial

VAL AV INDIKATOR FÖR LUFTKVALITET Koldioxid är den vanligaste indikatorn för luftkvalitet i lokalbyggnader (lätt att mäta) Luftflödesreglering efter närvaro (närvarogivare) Mätning av till exempel gasformiga organiska föroreningar (VOC) som kommer från verksamheten Oklara samband: upplevd luftkvalitet koncentration av luftföroreningar hälsa och välbefinnande Vissa givare uppfyller inte kravet för inneklimatstyrning

CO 2 SOM INDIKATOR CO 2 används som indikator för upplevd luftkvalitet CO 2 är en indirekt mätning av luftföroreningar från människor CO2 påverkar inte människors välbefinnande vid koncentrationer under 5000 ppm Rekommenderad CO 2 -halt för gott välbefinnande är runt 1000 ppm Andel missnöjda (PPD) % Notera: gäller för vuxna besökare! Fanger, 1988 CO 2 koncentration (ppm)

KOLDIOXIDHALT OCH LUFTFLÖDE CO 2 kontsenratsioon, koncentration, ppm 3000 1 l/s inim. per person kohta Õhuvooluhulk Luftflöde 2 l/s inim. per person kohta 2000 1000 0 0 30 60 90 120 Ruumis Tid, minuter viibimise aeg, minutid 4 l/s inim. per person kohta 6 l/s inim. per person kohta 8 l/s inim. per person kohta 10 l/s inim. per person kohta 12 l/s inim. per person kohta

TEKNISKA ASPEKTER TRADITIONELLT VENTILATIONSSYSTEM: till- och frånluftssystem med konstant luftflöde (CAV-system) kanalsystem Avluft Uteluft Spjäll (i fast läge) ventilationsaggregat Tilluftsdon Frånluftsdon Kontorsrum CAV constant air volume flow rate

TEKNISKA ASPEKTER BEHOVSSTYRD VENTILATIONSSYSTEM Konstant tryckreglering VAV- spjäll VAV- don Luftkvalitet Temperatur DCV-system varierande luftflöde varierande tryck DCV demand controlled air volume flow rate

OMBLANDANDE VENTILATION OCH DEPLACERANDE VENTILATION 16 C 24 C Frånluft 26 C Frånluft Tilluft 24 C 24 C Tilluft 18 C Omblandande ventilation Deplacerande ventilation

OMBLANDANDE VENTILATION OCH DEPLACERANDE VENTILATION DCV-system för skolor baseras på omblandade ventilationsprincip Deplacerande ventilation mer komplicerad för behovsstyrning Högre luftflöden behövs Högre tilluftstemperatur (min +18 C)

FÖRUTSÄTTNINGAR FÖR VÄLFUNGERANDE DCV-SYSTEM Genomtänkta systemfunktioner och noggrann projektering Rätt val av komponenter Genomtänkt och väl tillämpat styroch reglersystem Rätt utförd installation

TEKNISKA KRAV PÅ DCV SYSTEM Vid styrning av termiskt klimat måste alla don klara av låga tilluftstemperaturer Kanalsystem måste kunna klara låga tilluftstemperaturer (isolering är viktig)

TEKNISKA KRAV PÅ DCV SYSTEMKOMPONENTER Tilluftsdon måste försäkra att det inte uppstår drag i rummet inom luftflödesvariation Inget buller inom regleringsområdet av luftflödena Flödesreglering inom brett flödesområde (10-100 %) För temperaturreglering och energieffektivitet låga tilluftstemperaturer (+15 C) utan risk för drag

TEKNISKA KRAV PÅ GIVARE Givare måste väljas enligt kraven på inneklimat Mätnoggranhet måste vara tillräcklig för att inneklimatet ska kunna hållas inom önskade krav Snabbheten måste vara tillräcklig för reglering av luftflöden Placering av givare måste ske med hänsyn till aktiviteter i rum och rummets egenskaper Inte i andningszon Rekommenderad placering i frånluftskanal för klassrum

BEDÖMNING AV LÖNSAMHET FÖR BEHOVSSTYRNING Värdera möjligheterna för den enskilda byggnaden Hur varierar belastningarna i tid och mellan olika rum? Vad är samtidighetsfaktor för verksamheten i byggnaden? Beräkning av energianvändning Bedömning av energibesparing jämfört med CAV- system Bedömning av investeringar

ANVÄNDNING AV LOKALER Exempel: skolbyggnad för högstadiet Totalt antal klassrum 43 Antal klasser 16, 350 elever Samtidighetsfaktor (occupancy factor) OF N N använda _ rum Alla _ rum

ANVÄNDNING AV LOKALER I EN SKOLBYGGNAD Beror på typen av skola Förskolor, låg- och mellanstadier använder lokalerna kontinuerligt (få lediga klassrum) Högstadiet och gymnasiet har förutom hemklassrum också ämnesklassrum och grupprum

BEDÖMNING AV POTENTIALEN FÖR BEHOVSSTYRNING Antal klassrum och antal klasser i skolan Lägsta luftflöde som inte får underskridas Systemets dimensionerade luftflöde Total luftflöde i system Max luftflöde (dimensionerade luftflöde) Luftflödesbehov Medelflöde Min luftflöde som behövs Ventilations drifttid

BERÄKNING AV ENERGIANVÄNDNING Elenergi för fläktdrift i ett DCV-system: Luftflöde och fläkteffekt följer inte det teoretiska sambandet Beror på tryckreglering i system och placering av tryckgivare Fläkteffekt, W t design W t Konstant tryckstyrning W f ( t V VAV α 2 ) Luftflöde,V W 3 t f ( V VAV ) design V Ingen tryckstyrning i system

INVESTERINGAR FÖR BEHOVSSTYRD VENTILATION Befintliga byggnader (renovering och ombyggnad) Konstant tryckreglering VAV- spjäll VAV- don Luftkvalitet Temperatur Investeringar för luftdistributionssystem Demontering och bygg Nya kanaler (vid behov) VAV-don och/eller VAV-spjäll + ljuddämpare Aktiva zonspjäll (vid behov) Givare + kabeldragning Styr- och reglersystem (+driftsättning)

INVESTERINGAR FÖR BEHOVSSTYRD VENTILATION Befintliga byggnader (renovering och ombyggnad) Konstant tryckreglering VAV- spjäll VAV- don Luftkvalitet Temperatur Investeringar för centralt ventilationsaggregat Tryckstyrning efter konstant tryck i system (varvtalsreglering+ tryckgivare)

INVESTERINGAR FÖR BEHOVSSTYRD VENTILATION Nya byggnader Konstant tryckreglering VAV- spjäll VAV- don Luftkvalitet Temperatur Investeringar för luftdistributionssystem (mer kostnader jmfr med CAV-system) VAV-don och/eller VAV-spjäll + ljuddämpare Aktiva zonspjäll (vid behov) Givare + kabeldragning Styr- och reglersystem (+driftsättning) Kanalsystem kan optimeras!

INVESTERINGAR FÖR BEHOVSSTYRD VENTILATION Nya byggnader Konstant tryckreglering VAV- spjäll VAV- don Luftkvalitet Temperatur Investeringar för centralt ventilationsaggregat Tryckstyrning efter tryckgivare i system

LÖNSAMHET AV BEHOVSSTYRNING Interränta vid 20 år brukstid 15% 14% 13% 12% 11% 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% DCV-system för skolsalar Investering [SEK/skolsal f ör 25 elever; 260 l/s] 16 000 SEK 18 000 SEK 20 000 SEK 14 000 SEK 10 000 SEK 12 000 SEK 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Medelluftflöde under drifttiden Drifttid 2 200 h/år Elpris 1 kr/kwh SFP 2,5 kw/(m³/s) Fläkteleffekt = medelluftflöde 2,0 Rimligt internräntekrav

MER INFORMATION Mari-Liis Maripuu Demand Controlled Ventilation (DCV) Systems in Commercial Buildings avhandling, 2009, Installationsteknik, Chalmers tekniska högskola http://www.energy-management.se/publications/public

FRÅGOR?

T T t vt BEDÖMNING AV ENERGIANVÄNDNING t sp CAV-system t sp VAV-system t vt SFP specifik fläkteffekt kw/(m 3 /s) Elektritarve, Elenergi MWh/år MWh/a 3 2 6 Konstantne 5 SFP, õhuvooluhulk luftflöde 4 CAV kw/(m 3 /s) 3 2 VL=1 m 3 /s 1 1 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Tööaeg, Drifttid, h/år tundi/a Elenergi Elektritarve, MWh/år MWh/a SFP, kw/(m 3 /s) 6 SFP, Variabel Muutuv 5 kw/(m 3 /s) õhuvooluhlk luftflöde 4 VAV 3 3 2 VL maks =1 max = 1 m 3 /s 2 1 1 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Drifttid, Tööaeg, h/år tundi/a Abel, 2010

UPPVÄRMNING AV TILLUFT t vt CAV-system t sp Tillsatsvärme MWh/år Luftflöde 1 m 3 /s, t från =+20 C 16 MWh/år 7 MWh/år Tilluftstemperatur t till, C T VAV-system t vt t sp η T - temperaturverkningsgrad Tillsatsvärme MWh/år Drifttid 2800 h/år Luftflöde 1 m 3 /s, t från =+20 C 4,5 MWh/år Tilluftstemperatur t till, C Abel, 2010

FÖRDELAR MED DCV-SYSTEM EXEMPEL 2 Exempel 2: Ny byggnad (universitetets admin) 2500 m 2 (BTA) med bland annat 13 kontorsrum, 7 mötesrum, hörsal Electric Airflow Power [kw] rate [m³/s] 6 5 4 3 2 1 0 Dimensionerade flöde 5 m 3 /s Supply airflow, rate m 3 /s m3/s Electricity Power, kw kw Medelflöde 2 m 3 /s Medeleffekt 0,9 kw 0 2000 4000 6000 8000 Time, [h/year]

METODER FÖR LUFTFLÖDESSTYRNING DCV-system varierande luftflöde varierande tryck Konstant tryckreglering Luftflödesreglering med variabelflödesspjäll (VAV-box) VAV 20-120 Pa Fördelar: -tryckoberoende -Klarar av stora luftflöden Illustration: Fläktwoods VAV spjäll Nackdelar: -begränsade minimiluftflöden -begränsade tilluftstemperaturer -Ljudproblem kan förekomma -Val av tilluftsdon är viktigt

METODER FÖR LUFTFLÖDESSTYRNING DCV-system variation av luftflöde variation av tryck Konstant tryckreglering Tryckgivare Luftflödesrerglering med VAV-don Illustration:Swegon VAV Aktiva zon-späll 20-50 Pa 20-120 Pa VAV-don Fördelar: -stabil luftströmning -låga tilluftstemperaturer -Klarar av stora tryckvariationer -låga ljudnivåer -Stor flödesvariation (10-100%) Illustration:Lindinvent Nackdelar: -begränsat maxflöde -aktiva zon-spjäll kan behövas

BERÄKNING AV ENERGIANVÄNDNING Elenergi för fläktdrift Fläkteffekt, W t design W t Konstant tryckstyrning W t V VAV α 2 f ( ) Luftflöde,V W 3 t f ( V VAV ) design V Ingen tryckstyrning i system Fan power [kw] 6 5 4 3 2 1 0 W W t 1,73 f ( ) 1.73 t0.18 0.21 V VAV VAV 0 1 2 3 4 5 Supply airflow rate [m³/s] Teoretiskt samband mellan fläkteffekt och luftflöde Exempel: uppmätta eleffekter och luftflödena i en kontorsbyggnad