Układy wentylacyjne i klimatyzacyjne i ich ocena

Transkrypt

1 Układy wentylacyjne i klimatyzacyjne i ich ocena Efektywność energetyczna Prof. dr hab. inż. Edward Szczechowiak Politechnika Poznańska Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Styczeń Zakres Zużycie energii w systemie wentylacji i klimatyzacji Połączenie zużycia energii w systemie wentylacji i klimatyzacji z charakterystyką budynku 2 1

2 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (1) Zużycie energii przez systemy: Podgrzewanie lub ochładzanie powietrza, Pokrycie strat lub zysków ciepła elementów składowych systemu, Energia napędowa wentylatorów i/lub pomp (energia pomocnicza), Bilans zintegrowany pomieszczeń (budynku): Q tr, Q ve, Q sol, Q int -energia użytkowa dla lata i zimy, Energia końcowa i nieodnawialna energia pierwotna. Kierunki zmniejszenia zużycia energii: Układy do odzyskiwania ciepła z powietrza wywiewanego: rekuperatory, regeneratory obrotowe, z czynnikiem pośrednim, rurki ciepła (heat pipe), z pompą ciepła, Zastosowanie powietrznych wymienników gruntowych, Poprawa izolacji termicznej central i przewodów, Zmniejszenie mocy jednostkowej wentylatorów (SFP), Wykorzystanie układów powietrzno-wodnych, Optymalizacja bilansu zintegrowanego budynku i systemów TWB. 3 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (2) Zasady wyznaczania współczynnika zużycia energii pierwotnej dla instalacji wentylacji wg DIN

3 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (3) 1. Podgrzewanie lub ochładzanie powietrza Gdzie: 5 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (4) Współczynnik strat ciepła przez przenikanie Gdzie: 6 3

4 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (5) Współczynnik strat ciepła na wentylację Gdzie: 7 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (6) Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację -przypadki 8 4

5 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (7) Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację -przypadki 9 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (8) Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację -przypadki 10 5

6 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (9) Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację -przypadki 11 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (9) Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację -przypadki 12 6

7 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (10) Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację -przypadki Skuteczności η GWC = 0,33; η oc1 = 0,45 0,93 13 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (11) Strumienie powietrza wentylacyjnego i przez infiltrację -przypadki 14 7

8 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (7) Strumienie powietrza przez infiltrację przypadki dla budynków istniejących Uwaga: Dodatkowe zakłócenie - Otwieranie niekontrolowane okien 15 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (8) Dodatkowy strumień powietrza przez infiltrację Gdzie: 16 8

9 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne (9) Dodatkowy strumień powietrza przez infiltrację Gdzie: 17 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne Uporządkowany roczny przebieg temperatury powietrza TRM Poznań 18 9

10 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne Roczny przebieg temperatury powietrza TRM Poznań 19 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne Podgrzewanie lub ochładzanie powietrza wartości przykładowe Strumień powietrza 1 m 3 /(hm 2 ) Temperatury: zima/lato 20/24 o C Poznań Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) zima 12,7 W/m 2 Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) lato -2,0 W/m 2 Q H,ve = 29,7 kwh/(m 2 a) Q C,ve = 10,3 kwh/(m 2 a) Dla pow. okien u = 0,15 Q H,tr = 56,8 kwh/(m 2 a) Q C,tr = 14,2 kwh/(m 2 a) 20 10

11 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne Podgrzewanie lub ochładzanie powietrza wartości przykładowe Strumień powietrza 1 m 3 /(hm 2 ) Temperatury: zima/lato 20/24 o C Kołobrzeg Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) zima 11,3 W/m 2 Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) lato -2,0 W/m 2 Q H,ve = 46,1 kwh/(m 2 a) Q C,ve = 13,0 kwh/(m 2 a) Dla pow. okien u = 0,15 Q H,tr = 97,7 kwh/(m 2 a) Q C,tr = 13,0 kwh/(m 2 a) 21 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne Podgrzewanie lub ochładzanie powietrza wartości przykładowe Strumień powietrza 1 m 3 /(hm 2 ) Temperatury: zima/lato 20/24 o C Warszawa Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) zima 13,3 W/m 2 Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) lato -2,7 W/m 2 Q H,ve = 30,8 kwh/(m 2 a) Q C,ve = 9,7 kwh/(m 2 a) Dla pow. okien u = 0,15 Q H,tr = 58,9 kwh/(m 2 a) Q C,tr = 14,0 kwh/(m 2 a) 22 11

12 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne Podgrzewanie lub ochładzanie powietrza wartości przykładowe Strumień powietrza 1 m 3 /(hm 2 ) Temperatury: zima/lato 20/24 o C Suwałki Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) zima 14,7 W/m 2 Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) lato -2,7 W/m 2 Q H,ve = 36,3 kwh/(m 2 a) Q C,ve = 7,9 kwh/(m 2 a) Dla pow. okien u = 0,15 Q H,tr = 89,1 kwh/(m 2 a) Q C,tr = 16,5 kwh/(m 2 a) 23 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne Podgrzewanie lub ochładzanie powietrza wartości przykładowe Temperatury: zima/lato 20/24 o C Poznań Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) zima 12,7 W/m 2 Strumień ciepła (1 m 3 /(hm 2 ) lato - 2,0 W/m 2 Strumień ciepła (3 m 3 /(hm 2 ) zima 38,1 W/m 2 Strumień ciepła (3 m 3 /(hm 2 ) lato - 6,0 W/m 2 Strumień powietrza 1 m 3 /(hm 2 ); 3 m 3 /(hm 2 ) Q H,ve = 29,7 kwh/(m 2 a); 89,1 kwh/(m 2 a); Q C,ve = 10,3 kwh/(m 2 a); 30,9 kwh/(m 2 a); Dla pow. okien u = 0,15 Q H,tr = 56,8 kwh/(m 2 a) Q C,tr = 14,2 kwh/(m 2 a) 24 12

13 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne 2. Straty lub zyski ciepła systemu powietrznego i układów zasilania elementów systemu Straty lub zyski ciepła kanałów powietrznych wewnątrz osłony izolacyjnej budynku na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku Straty lub zyski ciepła kanałów powietrznych wewnątrz osłony izolacyjnej budynku na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku Straty ciepła przewodów zasilających nagrzewnice wewnątrz osłony izolacyjnej budynku na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku Zyski ciepła przewodów zasilających chłodnice wewnątrz osłony izolacyjnej budynku na zewnątrz osłony izolacyjnej budynku 25 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne 3. Energia napędowa wentylatorów i/lub pomp (energia pomocnicza) Moc i zużycie energii elektrycznej wentylatorów nawiewnych wywiewnych Moc i zużycie energii elektrycznej pomp w obiegach nagrzewnic pierwotnych wtórnych Moc i zużycie energii elektrycznej pomp w obiegach chłodnic Moc i zużycie energii elektrycznej pomp w obiegach układów do odzysku ciepła 26 13

14 Zużycie energii przez systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne 4. Bilans zintegrowany pomieszczeń (budynku) Wpływ na bilans łącznie czterech oddziaływań: Q tr, Q ve, Q sol, Q int Oddziaływanie tych czterech strumieni ciepła w czasie pozwala na obliczenie zapotrzebowania ciepła lub chłodu użytkowego: Ważna dynamika budynku (jego bezwładność cieplna) Łączna ocena ogrzewania i wentylacji Q H,nd, Łączna ocena chłodzenia i wentylacji Q C,nd 27 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (1) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji metoda bilansów miesięcznych Wyznaczenie miesięcznego zapotrzebowania na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji Gdzie: 28 14

15 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (2) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię użytkową do chłodzenia i wentylacji metoda bilansów miesięcznych Q C,nd = Σ n Q C,nd,n kwh/rok Wyznaczenie miesięcznego zapotrzebowania na energię użytkową do chłodzenia i wentylacji Gdzie: 29 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (3) Wyznaczenie współczynnika efektywności wykorzystania zysków ciepła (ogrzewanie i wentylacja) Gdzie: 30 15

16 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (4) Wyznaczenie współczynnika efektywności wykorzystania zysków ciepła (chłodzenie i wentylacja) Gdzie: indeks h zastępuje się indeksem c 31 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (5) Wyznaczenie stałej czasowej budynku (strefy budynku) Wartości stałej czasowej: budynki lekkie godz; średniociężkie godz; ciężkie godzz 32 16

17 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (6) Miesięczne straty ciepła przez przenikanie i wentylację (opcja ogrzewanie) Gdzie: 33 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (7) Miesięczne straty ciepła przez przenikanie i wentylację (opcja chłodzenie) Gdzie: c oznacza dla trybu chłodzenia 34 17

18 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (8) Długość trwania okresu ogrzewczego w danym miesiącu i w roku 35 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (9) Długość trwania sezonu ogrzewczego w danym miesiącu 36 18

19 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (10) Długość trwania okresu chłodzenia w danym miesiącu i w roku 37 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (11) Długość trwania okresu chłodzenia w danym miesiącu 38 19

20 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (12) Długość trwania okresu ogrzewczego w rozpatrywanym miesiącu przykład Temperatura wewnętrzna +20 o C a H = 1,0 + τ/ τ H,o ; [h] gdzie: τ H,o = 15 h; τ = 30 h; a H = 3,0 γ H = Q H,gn /Q H,ht = (Q int + Q sol )/(Q tr + Q ve ); γ H,lim = (a H + 1)/a H ; γ H,lim = 1,33 _marzec kwiecień maj_ γ H(1) = 0,8; γ H(2) = 1,4; γ H(3) = 1,8 ====== ======= ==== γ H,P = γ H,1 = 1,10; γ H,K = γ H,2 = 1,60 γ H,2 < γ H,lim, to f H = 1 γ H,1 > γ H,lim, to f H = 0 γ H(2) > γ H,lim ; to f H = 0,5 (γ H,lim - γ H,1 )/(γ H(2) - γ H,1 ) = 0,5 (1,33 1,10)/(1,40 1,10) = 0,39 39 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (13) Długość trwania okresu chłodzenia w rozpatrywanym miesiącu przykład Temperatura wewnętrzna +20 o C a C = 1,0 + τ/ τ C,o ; [h] gdzie: τ C,o = 15 h; τ = 30 h; a C = 3,0 γ C = Q C,gn /Q C,ht = (Q int + Q sol )/(Q tr + Q ve ); γ C,lim = (a C + 1)/a C ; γ C,lim = 1,33 1/γ C,lim = 0,75 _marzec kwiecień maj_ γ C(1) = 0,8; γ C(2) = 1,4; γ C(3) = 1,8 ====== ======= ==== 1/γ C(1) = 1,250; 1/γ C(2) = 0,714; 1/γ C(3) = 0,635 γ C,P = γ C,2 = 0,982; γ C,K = γ C,1 = 0,635 1/γ C,2 <1/γ C,lim, to f C = 1 1/γ C,1 >1/γ H,lim, to f C = 0 1/γ C(2) 1/γ C,lim ; to f C = 0,5 + 0,5 (1/γ C,lim 1/γ C(2) )/(1/γ C,2 1/γ C(2) ) = 0,5 + 0,5 (0,75 0,714)/(0,982 0,714) = 0,

21 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (14) Długość trwania okresu chłodzenia w rozpatrywanym miesiącu przykład Temperatura wewnętrzna +24 o C a C = 1,0 + τ/ τ C,o ; [h] gdzie: τ C,o = 15 h; τ = 30 h; a C = 3,0 γ C = Q C,gn /Q C,ht = (Q int + Q sol )/(Q tr + Q ve ); γ C,lim = (a C + 1)/a C ; γ C,lim = 1,33 1/γ C,lim = 0,75 _marzec kwiecień maj_ γ C(1) = 0,8; γ C(2) = 1,2; γ C(3) = 1,6 ====== ======= ==== 1/γ C(1) = 1,250; 1/γ C(2) = 0,833; 1/γ C(3) = 0,625 γ C,P = γ C,2 = 1,042; γ C,K = γ C,1 = 0,729 1/γ C,2 <1/γ C,lim, to f C = 1 1/γ C,1 >1/γ H,lim, to f C = 0 1/γ C(2) > 1/γ C,lim ; to f C = 0,5 (1/γ C,lim 1/γ C,1 )/(1/γ C(2) 1/γ C,1 ) = 0,5 (0,75 0,729)/(1,042 0,729) = 0,03 41 Zasady obliczania zapotrzebowania energii użytkowej (15) Długość trwania okresu ogrzewania i chłodzenia w rozpatrywanym miesiącu przykład 1. Temperatura wewnętrzna: ogrzewanie/chłodzenie 20 o C/20 o C czas ogrzewania 0,39 (39% czasu miesiąca) strefa neutralna 0,04 (4% czasu miesiąca) czas chłodzenia 0,57 (57% czasu miesiąca) 1. Temperatura wewnętrzna: ogrzewanie/chłodzenie 20 o C/24 o C czas ogrzewania 0,39 (39% czasu miesiąca) strefa neutralna 0,58 (58% czasu miesiąca) czas chłodzenia 0,03 (3% czasu miesiąca) 42 21

22 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pierwotnej (1) Bilanse energii budynków: Budynek i jego właściwości cieplne (straty, zyski ciepła), szczelność powietrzna PN-EN ISO Technika instalacyjna i jej efektywność (ogrzewanie, wentylacja, chłodzenie, ciepła woda, oświetlenie), Konwersja energii i jej pochodzenie (pierwotna, odnawialna). Rodzaje energii w ocenie budynków: Zapotrzebowanie energii użytkowej do ogrzewania (chłodzenia), Zapotrzebowanie energii końcowej (ciepło do ogrzewania, ciepłej wody, straty systemu dystrybucji, energia pomocnicza), Zapotrzebowanie nieodnawialnej energii pierwotnej (energia końcowa + nakłady na wyprodukowanie energii, transport i pozyskanie). Zasady bilansowania energii 43 Elementy wpływające na właściwości energetyczne budynku 44 22

23 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pierwotnej (2) Wskaźnik zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną i energię końcową opcja: ogrzewanie, wentylacja i ciepła woda użytkowa Gdzie: 45 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pierwotnej (3) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną Gdzie: 46 23

24 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pierwotnej (4) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną (ogrzewanie, wentylacja i chłodzenie, ciepła woda) Gdzie: 47 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pierwotnej (5) Współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w i 48 24

25 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (1) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania i wentylacji Gdzie: 49 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (2) Straty i sprawność przekazania ciepła/chłodu (jakość regulacji) Q e : Ogrzewanie qh,e = kwh/(m 2 a) Wentylacja qh,e = kwh/(m 2 a) Chłodzenie qc,e = 1 3 kwh/(m 2 a) Straty i sprawność rozdziału ciepła/chłodu Q d : Rozdział c.w. z cyrkulacją qh,d = kwh/(m 2 a) Rozdział c.w. bez cyrkulacji qh,d = kwh/(m 2 a) Rozdział c.o. z pompą regulowaną qh,d = 0,2... 3,5 kwh/(m 2 a) Rozdział c.o. z pompą nie regulowaną qh,d = 0,2... 4,2 kwh/(m 2 a) Rozdział układu wentylacji qh,d = ,0 kwh/(m 2 a) Rozdział wody lodowej z pompą nie regulowaną q C,d = 0,1... 3,2 kwh/(m 2 a) 50 25

26 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (3) Straty i sprawność akumulacji Q S : Przykładowo dla zasobnika ciepłej wody Q s = 1,2 kwh/d Straty ciepła do otoczenia [kwh/rok] cm 10 cm cm Pojemność zasobnika [dm 3 ] Sprawność użytkowa zasobnika (podgrzewacza) c.w. η S = Q CW /(Q CW + Q STR ) 100 [%] Podgrzewacz c.w. 200 dm 3 Zużycie ciepłej wody 1) [dm 3 /dobę] Sprawność użytkowa zasobnika [%] 10 31, , , , , ,8 1) temperatura ciepłej wody w zasobniku 60 0 C 51 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (4) Straty i sprawność kotłów gazowych i węzłów ciepłowniczych Kotły niskotemperaturowe ηh,g = 86-94% Kotły kondensacyjne ηh,g = % Sprawność użytkowa węzłów ciepłowniczych ηh,g = 96-99% 52 26

27 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (5) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię końcową do chłodzenia i wentylacji Gdzie: 53 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (6) Podstawowe wskaźniki efektywności dla chłodzenie i grzania (w przypadku pompy ciepła) 54 27

28 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (7) Wyznaczenie ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) agregatów chłodniczych wody lodowej (water chillers) Skraplacz chłodzony powietrzem 55 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (8) Wyznaczenie ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) agregatów chłodniczych wody lodowej (water chillers) Skraplacz chłodzony wodą 56 28

29 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (9) Wyznaczenie ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) agregatów chłodniczych wody lodowej (water chillers) - procedura wg EUROVENT (skraplacz chłodzony powietrzem) ESEER = 3,87 57 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (10) Wyznaczenie ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) agregatów chłodniczych wody lodowej (water chillers) - procedura wg EUROVENT (skraplacz chłodzony powietrzem) ESEER = 3,

30 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (11) Wyznaczenie zapotrzebowania energii końcowej dla chłodzenia: Agregat chłodniczy ESEER = 3,87 (sprężarka + wentylator skraplacza) Q C,nd = 20 kwh/(m 2 a) Sprawność regulacji 0,95 Sprawność akumulacji w buforze 0,97 Sprawność transportu wody lodowej 0,96 Efektywność agregatu chłodniczego 3,87 Q C,K = 20/ (0,95 0,97 0,96 3,87) = 5,84 kwh/(m 2 a) Uwaga: W tym przypadku energia końcowa jest energią elektryczną doprowadzoną do agregatu chłodniczego 59 Zasady obliczania zapotrzebowania energii końcowej (12) Wartości EER/COP dla klimatyzatorów kompaktowych i typu SPLIT 60 30

31 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pomocniczej (1) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię pomocniczą 61 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pomocniczej (2) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię pomocniczą 62 31

32 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pomocniczej (3) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię pomocniczą 63 Zasady obliczania zapotrzebowania energii pomocniczej (4) Wyznaczenie rocznego zapotrzebowania na energię pomocniczą (przykład danych) 64 32