GODZINOWA METODA OBLICZANIA ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGI W SYSTEMACH WENTYLACJI I KLIMATYZACJI

Transkrypt

1 Building Physics in Theory and Practise, ISSN GODZINOWA METODA OBLICZANIA ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGI W SYSTEMACH WENTYLACJI I KLIMATYZACJI Maciej MIJAKOWSKI *, Jerzy SOWA **, Piotr NAROWSKI *** Politechnika Warszawska, Wydział Inynierii rodowiska, Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa ul. Nowowiejska 20, Warszawa * maciej.mijakowski@is.pw.edu.pl ** jerzy.sowa@is.pw.edu.pl *** piotr.narowski@is.pw.edu.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono analiz moliwoci, jakie oferuje godzinowa metoda obliczania systemów wentylacji i klimatyzacji. Załoenia metody oparte s na schemacie energetycznym budynku tosamym z układem elektrycznym 6R1C (rozwinicie schematu 5R1C z PN-EN- ISO [2]). W artykule skupiono si na obliczeniach energetycznych procesów uzdatniania powietrza. Pod uwag wzite zostały elementy systemu uzdatniania powietrza opisane w EN [1]: odzysk ciepła jawnego i utajonego w okresie zimowym i letnim, ogrzewanie powietrza, nawilanie powietrza, chłodzenie z priorytetem osuszania lub ochładzania. Jako wynik otrzymuje si zuycie energii oraz wynikow warto temperatury powietrza wewntrznego. Pozwala to kontrolowa zarówno ilo zuywanej energii i jako analizowanego systemu HVAC. temperaturze w budynku. Schemat zastosowanego w obliczeniach modelu 6R1C dynamiki cieplnej budynku lub strefy cieplnej został przedstawiony na rys. 1. Słowa kluczowe: obliczenia energetyczne, system wentylacji i klimatyzacji, procesy uzdatniania powietrza 1. WPROWADZENIE 1.1. Model dynamiki cieplnej budynku Przedstawiona w normie PN-EN-ISO [2] uproszczona metoda godzinowa wyznaczania iloci ciepła do ogrzewania i chłodzenia, zakłada skupion pojemno ciepln całego budynku, oraz szereg oporów cieplnych na drodze wymiany ciepła W analogii elektrycznej mona taki układ traktowa jako schemat jednego kondensatora i 5 oporników (5R1C). W przedstawionym modelu układ ten został rozbudowany o jeszcze jednej opór pozwalajcy na oddzielne obliczanie strumieni energii powietrza infiltrujcego (o temperaturze powietrza zewntrznego) i powietrza nawiewanego przez układ wentylacji mechanicznej do strefy o regulowanej Rys. 1. Model 6R1C dynamiki cieplnej budynku [3]. Fig. 1. The building 6R1C heat exchange model [3]. Pełen opis modelu 6R1C wraz z rozwizaniem potrzebnym do wyznaczenia godzinowego zapotrzebowania na ciepło lub chłód budynku przedstawiono w [3]. Naley zaznaczy, e zgodnie z modelem 6R1C zakładane zazwyczaj wartoci: temperatury powietrza, temperatury masy cieplnej temperatury powierzchni wewntrznych s obliczane dla kadej godziny. Strona 1 z 6

2 Mijakowski M., Sowa J., Narowski P., Godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na energi w systemach wentylacji i klimatyzacji 1.2. Obliczenia energetyczne procesów uzdatniania powietrza Obliczenia energetyczne procesów uzdatniania powietrza w centrali klimatyzacyjnej wykonane zostały w oparciu o model przedstawiony w normie EN Ventilation for buildings Calculation methods for energy losses due to ventilation and infiltration in commercial buildings [1]. Główn ide modelu jest okrelenie energii potrzebnej do zmiany parametrów powietrza zewntrznego do wymaganych parametrów powietrza nawiewanego (rys. 2). Rys. 2. Idea oblicze energetycznych procesów uzdatniania powietrza w centrali klimatyzacyjnej. Fig. 2. The main idea of AHU calculation s method. W obliczeniach zostały wzite pod uwag nastpujce procesy uzdatniania powietrza: odzysk ciepła z powietrza usuwanego (ciepło utajone oraz jawne) w okresie zimowym i letnim, ogrzewanie, nawilania, chłodzenie, osuszanie. Modele powyszych procesów okrelaj zuycie energii (jeli ma miejsce, np. proces odzysku ciepła nie wymaga zuycia energii energia dodatkowa do napdów jest liczona oddzielnie) oraz parametry powietrza po danym procesie. Pomimo, e równania opisujce dany proces s stosunkowo proste i mog pochodzi np. z normy EN [1], to całoroczne procesy realizowane w centrali mog by skomplikowane i wymaga zaawansowanych analiz zalenoci logicznych. Zmiany zarówno jakociowe jak i ilociowe analizowanych procesów wynikaj ze zmieniajcych si warunków klimatycznych oraz zmian obcienia cieplnego pomieszcze. Jednoczenie dostpne w danej chwili czasowej procesy wynikaj z ogranicze załoonego systemu HVAC. 2. WYNIKI OBLICZE Moliwoci opisanego modelu najlepiej przedstawi w postaci wyników oblicze jakie s moliwe do uzyskania. Obliczenia wykonano dla wybranego budynku zlokalizowanego w Warszawie. Jest to budynek biurowy o cikiej konstrukcji, powierzchni 3640 m 2, kubaturze m 3, uytkowany przez 400 osób. Obcienie cieplne pomieszcze zostało policzone dla typowych warunków konstrukcji cian, okien, schematów uytkowania itp. Nastawa temperatury dla zimy wynosiła 21 C (temperatura dyurna - 16 C), dla lata 26 C. Dla systemów, które umoliwiały kontrol wilgotnoci załoono parametry obliczeniowe w przedziale 30 60% wilgotnoci wzgldnej. Obliczenia mona wykonywa dla rónych wariantów systemów HVAC, w artykule przedstawiono trzy warianty: wariant 1 (bez AHU): wentylacja mechaniczna wywiewna (20000 m3/h) w godzinach uytkowania pomieszcze, kontrola temperatury w pomieszczeniach przez system wodny lub freonowy, wariant 2 (HIG AHU): wentylacja nawiewno wywiewna z moliw pełn realizacj procesów uzdatniania powietrza, stały strumie powietrza (20000 m3/h) w godzinach uytkowania pomieszcze, kontrola temperatury w pomieszczeniach przez system wodny lub freonowy, kontrola wilgotnoci przez powietrze wentylacyjne, wariant 3 (TYLKO AHU): wentylacja nawiewno wywiewna typu CAV (60000 m3/h) w godzinach uytkowania pomieszcze, w pełni pokrywajca straty i zyski ciepła, w okresie zimowym temperatur dyurn 16 C zapewnia dodatkowy wodny system ogrzewania dyurnego. W wariantach 2 i 3 centrala klimatyzacyjna umoliwia odzysk ciepł z powietrza usuwanego o nominalnej sprawnoci temperaturowej 90%. Uwzgldniono obnienie sprawnoci odzysku ciepła w wyniku odszraniania wymiennika w postaci kontroli minimalnej (-5 C) temperatury powietrza wywiewanego po stronie powietrza usuwanego. Odzyskiwane jest tylko ciepło jawne. W okresie lata odzysk ciepła nie jest uruchamiany. Przebieg zmiennoci temperatury powietrza wewntrznego dla wszystkich wariantów został przedstawiony na rys. 3. Strona 2 z 6

3 a) Rys. 3. Przebieg zmiennoci temperatury powietrza wewntrznego i zewntrznego. Fig. 3. Indoor and outdoor temperature. W tabeli 1 zestawiono najwaniejsze wyniki dotyczce zuycia energii dla analizowanych wariantów. Tabela 1. Zuycie energii dla analizowanych wariantów. Table 1. Energy consumption for analysed variants. BEZ_AHU HIG_AHU TYLKO _AHU Energia dostarczana do pomieszcze przez system wodny/freonowy Ogrzewanie Chłodzenie Energia dostarczana do centrali klimatyzacyjnej Ogrzewanie Nawilanie Chłodzenie i osuszanie Całkowite zuycie energii Ciepło Chłód Właciwe zuycie energii [kwh/(m2rok)] Ciepło i chłód 182,7 72,9 149,4 Całoroczne przebiegi zmiennoci zuycia energii przez poszczególne elementy analizowanych systemów przedstawiono na rys.4. Przebiegi zmiennoci chwilowego zapotrzebowania na moc dla poszczególnych procesów wyranie przedstawiaj rónice analizowanych systemów. c) Rys. 4. Zuycie energii w cigu typowego roku dla wariantów: a) BEZ AHU, HIG AHU, c) TYLKO AHU. Fig. 4. Energy consumption during a typical year for variants: BEZ AHU (a); HIG AHU (; TYLKO AHU (c). Przykładowo najwiksze zapotrzebowanie na moc wystpiło w wariancie TYLKO AHU podczas gdy wariant HIG AHU charakteryzował si najdłuszym okresem chłodzenia pomieszcze. Strona 3 z 6

4 Mijakowski M., Sowa J., Narowski P., Godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na energi w systemach wentylacji i klimatyzacji 3. ANALIZA WYNIKÓW Obliczenia pokazuj niezwykle istotny wpływ zastosowanego systemu HVAC na całkowite zuycie energii. W rozpatrywanym przypadku rónica jest ponad dwu krotna (od 78,6 kwh/m 2 rok do 188,2 kwh/m 2 rok). Analizowane systemy zapewniały zdecydowanie inne warunki wewntrzne, np. wariant 1 nie pozwalał na kontrol wilgotnoci wzgldnej powietrza, ani wstpne podgrzanie powietrza nawiewanego, co w okresie zimowym moe powodowa zmniejszenie komfortu cieplnego. Inn wan rónic jest zdecydowanie wiksza wymiana powietrza w wariancie 3 wynikajca z koniecznoci odprowadzenia obliczeniowych zysków ciepła. W wariancie 1 i 2 strumie powietrza wynosi 50 m 3 /h na osob podczas gdy w wariancie 3 jest trzykrotnie wikszy. Rzutuje to na zuycie energii, ale nie jest te bez zwizku jakoci powietrza zapewnian przez system. Majc na uwadze powysze rónice dla łatwiejszej analizy poszczególnych wariantów w tabeli 2 zestawiono wzgldne zuycie energii przyjmujc wariant 2 jako referencyjny (100% zuycia energii cieplnej i chłodniczej) a) Tabela 2. Wzgldne zuycie energii dla analizowanych wariantów (wariant HIG AHU = 100%). Table 1. Relative energy consumption for analyzed variants (variant HIG AHU = 100%). BEZ_AHU HIG_AHU TYLKO _AHU c) Energia dostarczana do pomieszcze przez system wodny/freonowy Ogrzewanie 386% 17% 0,2% Chłodzenie 33% 57% 0,0% Energia dostarczana do centrali klimatyzacyjnej Ogrzewanie 0,0% 49% 155% Nawilanie 0,0% 43% 107% Chłodzenie i osuszanie 0,0% 33% 111% Całkowite zuycie energii Ciepło 386% 100% 265% Chłód 33% 100% 107% Naley podkreli, e tak due rónice w zuyciu energii nie wynikaj z rónic w temperaturze powietrza wewntrznego. Na rys. 5 przedstawiono histogramy temperatury wewntrznej dla poszczególnych wariantów. Rys. 5. Histogramy temperatury powietrza wewntrznego w okresie uytkowania budynku dla wariantów: a) BEZ AHU, HI AHU, c) TYLKO AHU. Fig. 5. Histograms of indoor temperature variation during operating hours for variants: BEZ AHU (a); HIG AHU (; TYLKO AHU (c) Ciekawe wnioski dotyczce zachowania systemu wentylacji mog płyn z analizy temperatury powietrza nawiewanego w funkcji temperatury zewntrznej (rys. 6) Strona 4 z 6

5 a) a) Rys. 6. Temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczenia w funkcji temperatury powietrza zewntrznego; a) HIG AHU, TYLKO AHU Fig. 6. Supply temperature as a function of outdoor temperature; HIG AHU (a); TYLKO AHU ( Na wykresie (rys. 6) mona zaobserwowa procesy ogrzewania i chłodzenia powietrza, widoczne s nastawy temperatury dla lata i zimy (rone z obliczeniow temperatur która dla wszystkich wariantów wynosiła 21 i 26 C), a take proces free coolingu w okresie przejciowym. Z kolei na rys. 7 przedstawiono zuycie ciepła przez poszczególne procesy uzdatniania powietrza w funkcji temperatury powietrza zewntrznego. Na wykresach (rys. 7) widocznych jest kilka charakterystycznych cech dotyczcych systemu uzdatniania powietrza, np. wzrost zuycia ciepła w okresie letnim zwizany z podgrzaniem powietrza schłodzonego w celu wykroplenia pary wodnej (składowa procesu osuszania), szybki wzrost zapotrzebowania na energi chłodnicz ju od temperatury zewntrznej wynoszcej +15 C, czy wzrost zapotrzebowania na moc nawilania wraz z obnianiem temperatury powietrza zewntrznego. c) Rys. 7. Zapotrzebowanie na energi przez róne procesy uzdatniania powietrza w wariancie HIG AHU; a) ogrzewanie, chłodzenie, c) nawilanie. Fig. 7. Energy used for different processes in AHU (HIG_AHU) as a function of outdoor temperature: heating energy (a); cooling energy (; energy used for humidification (c) 4. PODSUMOWANIE Przedstawiona godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na ciepło w systemach wentylacji i Strona 5 z 6

6 Mijakowski M., Sowa J., Narowski P., Godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na energi w systemach wentylacji i klimatyzacji klimatyzacji oferuje znaczne moliwoci przeprowadzania rónorodnych analiz, o duym znaczeniu praktycznym dla inwestorów, architektów lub projektantów. Np. analiza zuycia energii w funkcji zakresu moliwych zmian temperatury i / lub wilgotnoci wzgldnej powietrza wewntrznego [4]. Ilo moliwych do uzyskania informacji jest porównywalna z pełnymi symulacjami dynamiki cieplnej budynków, przy jednoczesnej prostocie metody niewiele wykraczajcej poza metody miesiczne (obliczenia mona przeprowadzi w arkuszu kalkulacyjnym). Równoczenie metoda moe by w prosty sposób uzupełniona o kolejne elementy procesów uzdatniania powietrza np. takie jak wymienniki gruntowe, chłodzenie adiabatyczne i inne. Oprócz systemów CAV mona wprowadzi zalenoci logiczne typowe dla układu VAV lub (przy wprowadzeniu modelu bilansowania emisji zanieczyszcze powietrza) układu DCV. Ten artykuł został przygotowany w ramach projektu STEP PL0077 realizowanego w ramach wsparcia udzielonego przez Islandi, Liechtenstein i Norwegi poprzez dofinansowanie ze rodków Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu Finansowego HOURLY METHOD OF CALCULATION OF ENERGY CONSUMPTION IN AIR HANDLING UNITS Summary: The paper presents the concept of integration of buildings simulations and behaviour of ventilation and airconditioning systems. Building simulation is based on simplified hourly method 6R1C developed on a base of 5R1C method described in EN ISO 13790:2007. Simulation of Air Handling Unit is based on method described in EN Integration of both methods resulted in further changes in 6R1C schema and in introduction of optional equations for assessment of indoor temperature depending on type of ventilation system. The following processes were taken into account: heat recovery (sensible and latent) during winter and summer, heating, humidifying, cooling, dehumidifying. There are both indoor temperature and energy consumption available as a results, so presented method allows controlling both energy consumption and quality of performance of HVAC. Literatura [1] EN Ventilation for buildings Calculation methods for energy losses due to ventilation and infiltration in commercial buildings [2] PN-EN-ISO 13790: Energy performance of buildings - Calculation of energy use for space heating and cooling [3] Narowski P., Sowa J., Mijakowski M., Godzinowy model 6R1C dynamiki cieplnej budynku, Building Physics in Theory and Practice, Nr 4/2009 (artykuł zgłoszony do druku) [4] Sowa J., Narowski P., Mijakowski M., Wpływ załoonego zakresu zmiennoci parametrów powietrza w pomieszczeniach na całoroczne zuycie energii, Building Physics in Theory and Practice, Nr 4/2009 (artykuł zgłoszony do druku) Strona 6 z 6