godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na energię w

Building Physics in Theory and Practise, ISSN 1734-4891
GODZINOWA METODA
OBLICZANIA ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGI
W SYSTEMACH WENTYLACJI I KLIMATYZACJI
Maciej MIJAKOWSKI*, Jerzy SOWA**, Piotr NAROWSKI***
Politechnika Warszawska, Wydział In ynierii rodowiska, Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
ul. Nowowiejska 20, 00-653 Warszawa
*
e-mail: [email protected]
**
e-mail: [email protected]
***
e-mail: [email protected]
Streszczenie:
W
artykule
przedstawiono
analiz
mo liwo ci, jakie oferuje godzinowa metoda obliczania
systemów wentylacji i klimatyzacji. Zało enia metody oparte s
na schemacie energetycznym budynku to samym z układem
elektrycznym 6R1C (rozwini cie schematu 5R1C z PN-ENISO 13790 [2]). W artykule skupiono si na obliczeniach
energetycznych procesów uzdatniania powietrza. Pod uwag
wzi te zostały elementy systemu uzdatniania powietrza opisane
w EN 15241 [1]: odzysk ciepła jawnego i utajonego w okresie
zimowym i letnim, ogrzewanie powietrza, nawil anie powietrza,
chłodzenie z priorytetem osuszania lub ochładzania. Jako wynik
otrzymuje si zu ycie energii oraz wynikow warto
temperatury powietrza wewn trznego. Pozwala to kontrolowa
zarówno ilo
zu ywanej 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.
1.1.
WPROWADZENIE
Model dynamiki cieplnej budynku
Przedstawiona w normie PN-EN-ISO 13790 [2]
uproszczona metoda godzinowa wyznaczania ilo ci ciepła
do ogrzewania i chłodzenia, zakłada skupion pojemno
ciepln całego budynku, oraz szereg oporów cieplnych na
drodze wymiany ciepła W analogii elektrycznej mo na
taki układ traktowa jako schemat jednego kondensatora i
5 oporników (5R1C). W przedstawionym modelu układ
ten został rozbudowany o jeszcze jednej opór
pozwalaj cy na oddzielne obliczanie strumieni energii
powietrza infiltruj cego (o temperaturze powietrza
zewn trznego) 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 rozwi zaniem
potrzebnym
do
wyznaczenia
godzinowego
zapotrzebowania na ciepło lub chłód budynku
przedstawiono w [3]. Nale y zaznaczy , e zgodnie z
modelem 6R1C zakładane zazwyczaj warto ci:
temperatury powietrza,
temperatury masy cieplnej
temperatury powierzchni wewn trznych
s obliczane dla ka dej godziny.
Strona 1 z 6
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 15241 „Ventilation
for buildings – Calculation methods for energy losses due
to ventilation and infiltration in commercial buildings”
[1]. Główn ide modelu jest okre lenie energii
potrzebnej
do
zmiany
parametrów
powietrza
zewn trznego 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 wzi te pod uwag nast puj ce
procesy uzdatniania powietrza:
odzysk ciepła z powietrza usuwanego (ciepło
utajone oraz jawne) w okresie zimowym i
letnim,
ogrzewanie,
nawil ania,
chłodzenie,
osuszanie.
Modele powy szych procesów okre laj zu ycie energii
(je li ma miejsce, np. proces odzysku ciepła nie wymaga
zu ycia energii – energia dodatkowa do nap dów jest
liczona oddzielnie) oraz parametry powietrza po danym
procesie. Pomimo, e równania opisuj ce dany proces s
stosunkowo proste i mog pochodzi np. z normy EN
15241 [1], to całoroczne procesy realizowane w centrali
mog by skomplikowane i wymaga zaawansowanych
analiz zale no ci logicznych. Zmiany zarówno
jako ciowe jak i ilo ciowe analizowanych procesów
wynikaj ze zmieniaj cych si warunków klimatycznych
oraz zmian obci enia cieplnego pomieszcze .
Jednocze nie dost pne w danej chwili czasowej procesy
wynikaj z ogranicze zało onego systemu HVAC.
2.
WYNIKI OBLICZE
Mo liwo ci opisanego modelu najlepiej przedstawi w
postaci wyników oblicze jakie s mo liwe do uzyskania.
Obliczenia wykonano dla wybranego budynku
zlokalizowanego w Warszawie. Jest to budynek biurowy
o ci kiej konstrukcji, powierzchni 3640 m2, kubaturze
10920 m3, u ytkowany przez 400 osób.
Obci enie cieplne pomieszcze zostało policzone dla
typowych warunków konstrukcji cian, okien, schematów
u ytkowania itp. Nastawa temperatury dla zimy wynosiła
21°C (temperatura dy urna - 16°C), dla lata 26°C. Dla
systemów, które umo liwiały kontrol wilgotno ci
zało ono parametry obliczeniowe w przedziale 30 – 60%
wilgotno ci wzgl dnej.
Obliczenia mo na wykonywa dla ró nych wariantów
systemów HVAC, w artykule przedstawiono trzy
warianty:
wariant 1 (bez AHU): wentylacja mechaniczna
wywiewna
(20000 m3/h)
w
godzinach
u ytkowania pomieszcze , kontrola temperatury
w pomieszczeniach przez system wodny lub
freonowy,
wariant 2 (HIG AHU): wentylacja nawiewno –
wywiewna z mo liw pełn realizacj procesów
uzdatniania powietrza, stały strumie powietrza
(20000 m3/h) w godzinach u ytkowania
pomieszcze ,
kontrola
temperatury
w
pomieszczeniach przez system wodny lub
freonowy, kontrola wilgotno ci przez powietrze
wentylacyjne,
wariant 3 (TYLKO AHU): wentylacja nawiewno
– wywiewna typu CAV (60000 m3/h) w
godzinach u ytkowania pomieszcze , w pełni
pokrywaj ca straty i zyski ciepła, w okresie
zimowym temperatur dy urn 16°C zapewnia
dodatkowy
wodny
system
ogrzewania
dy urnego.
W wariantach 2 i 3 centrala klimatyzacyjna umo liwia
odzysk ciepł z powietrza usuwanego o nominalnej
sprawno ci
temperaturowej
90%.
Uwzgl dniono
obni enie sprawno ci 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
zmienno ci
temperatury
powietrza
wewn trznego dla wszystkich wariantów został
przedstawiony na rys. 3.
Strona 2 z 6
a)
Rys. 3. Przebieg zmienno ci temperatury
wewn trznego i zewn trznego.
Fig. 3. Indoor and outdoor temperature.
powietrza
b)
W tabeli 1 zestawiono najwa niejsze wyniki dotycz ce
zu ycia energii dla analizowanych wariantów.
Tabela 1. Zu ycie 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 [kWh/rok]
Ogrzewanie
631943
28450
309
Chłodzenie
-33063
-57464
0
Energia dostarczana do centrali klimatyzacyjnej
[kWh/rok]
Ogrzewanie
0
80615
253131
Nawil anie
0
-44161
-109170
Chłodzenie i
0
54682
181223
osuszanie
Całkowite zu ycie energii
[kWh/rok]
Ciepło
0
-28925
-90885
Chłód
0
6822
53338
Wła ciwe zu ycie energii
[kWh/(m2rok)]
Ciepło i
182,7
72,9
149,4
chłód
Całoroczne przebiegi zmienno ci zu ycia energii przez
poszczególne elementy analizowanych systemów
przedstawiono na rys.4.
Przebiegi zmienno ci chwilowego zapotrzebowania na
moc
dla
poszczególnych
procesów
wyra nie
przedstawiaj ró nice analizowanych systemów.
c)
Rys. 4. Zu ycie energii w ci gu typowego roku dla wariantów:
a) BEZ AHU, b) HIG AHU, c) TYLKO AHU.
Fig. 4. Energy consumption during a typical year for variants:
BEZ AHU (a); HIG AHU (b); TYLKO AHU (c).
Przykładowo najwi ksze zapotrzebowanie na moc
wyst piło w wariancie TYLKO AHU podczas gdy
wariant HIG AHU charakteryzował si najdłu szym
okresem chłodzenia pomieszcze .
Strona 3 z 6
Mijakowski M., Sowa J., Narowski P., Godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na energi w systemach wentylacji i klimatyzacji
3.
a)
ANALIZA WYNIKÓW
Obliczenia pokazuj
niezwykle istotny wpływ
zastosowanego systemu HVAC na całkowite zu ycie
energii. W rozpatrywanym przypadku ró nica jest ponad
dwu krotna (od 78,6 kWh/m2rok do 188,2 kWh/m2rok).
Analizowane systemy zapewniały zdecydowanie inne
warunki wewn trzne, np. wariant 1 nie pozwalał na
kontrol wilgotno ci wzgl dnej powietrza, ani wst pne
podgrzanie powietrza nawiewanego, co w okresie
zimowym mo e powodowa zmniejszenie komfortu
cieplnego.
Inn wa n ró nic jest zdecydowanie wi ksza wymiana
powietrza w wariancie 3 wynikaj ca z konieczno ci
odprowadzenia obliczeniowych zysków ciepła. W
wariancie 1 i 2 strumie powietrza wynosi 50 m3/h na
osob podczas gdy w wariancie 3 jest trzykrotnie
wi kszy. Rzutuje to na zu ycie energii, ale nie jest te bez
zwi zku jako ci powietrza zapewnian przez system.
Maj c na uwadze powy sze ró nice dla łatwiejszej
analizy poszczególnych wariantów w tabeli 2 zestawiono
wzgl dne zu ycie energii przyjmuj c wariant 2 jako
referencyjny (100% zu ycia energii cieplnej i
chłodniczej)
b)
Tabela 2. Wzgl dne zu ycie 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
Energia dostarczana do pomieszcze przez system
wodny/freonowy [kWh/rok]
Ogrzewanie 386%
17%
0,2%
Chłodzenie
33%
57%
0,0%
Energia dostarczana do centrali klimatyzacyjnej
[kWh/rok]
Ogrzewanie 0,0%
49%
155%
Nawil anie 0,0%
43%
107%
Chłodzenie i
33%
111%
osuszanie
0,0%
Całkowite zu ycie energii
[kWh/rok]
Ciepło
386%
265%
100%
Chłód
33%
107%
100%
Nale y podkre li , e tak du e ró nice w zu yciu energii
nie wynikaj z ró nic w temperaturze powietrza
wewn trznego. Na rys. 5 przedstawiono histogramy
temperatury wewn trznej dla poszczególnych wariantów.
c)
Rys. 5. Histogramy temperatury powietrza wewn trznego w
okresie u ytkowania budynku dla wariantów: a) BEZ AHU, b)
HI AHU, c) TYLKO AHU.
Fig. 5. Histograms of indoor temperature variation during operating hours for variants: BEZ AHU (a); HIG AHU (b); TYLKO
AHU (c)
Ciekawe wnioski dotycz ce zachowania systemu
wentylacji mog płyn z analizy temperatury powietrza
nawiewanego w funkcji temperatury zewn trznej (rys. 6)
Strona 4 z 6
a)
a)
b)
b)
Rys. 6. Temperatura powietrza nawiewanego do pomieszczenia
w funkcji temperatury powietrza zewn trznego; a) HIG AHU, b)
TYLKO AHU
Fig. 6. Supply temperature as a function of outdoor temperature;
HIG AHU (a); TYLKO AHU (b)
c)
Na wykresie (rys. 6) mo na zaobserwowa procesy
ogrzewania i chłodzenia powietrza, widoczne s nastawy
temperatury dla lata i zimy (ro ne z obliczeniow
temperatur która dla wszystkich wariantów wynosiła 21 i
26°C), a tak e proces „free coolingu” w okresie
przej ciowym.
Z kolei na rys. 7 przedstawiono zu ycie ciepła przez
poszczególne procesy uzdatniania powietrza w funkcji
temperatury powietrza zewn trznego.
Na wykresach (rys. 7) widocznych jest kilka
charakterystycznych
cech
dotycz cych
systemu
uzdatniania powietrza, np. wzrost zu ycia ciepła w
okresie letnim zwi zany z podgrzaniem powietrza
schłodzonego w celu wykroplenia pary wodnej (składowa
procesu osuszania), szybki wzrost zapotrzebowania na
energi chłodnicz ju od temperatury zewn trznej
wynosz cej +15°C, czy wzrost zapotrzebowania na moc
nawil ania wraz z obni aniem temperatury powietrza
zewn trznego.
Rys. 7. Zapotrzebowanie na energi przez ró ne procesy
uzdatniania powietrza w wariancie HIG AHU; a) ogrzewanie, b)
chłodzenie, c) nawil anie.
Fig. 7. Energy used for different processes in AHU (HIG_AHU)
as a function of outdoor temperature: heating energy (a); cooling
energy (b); energy used for humidification (c)
4.
PODSUMOWANIE
Przedstawiona
godzinowa
metoda
obliczania
zapotrzebowania na ciepło w systemach wentylacji i
Strona 5 z 6
Mijakowski M., Sowa J., Narowski P., Godzinowa metoda obliczania zapotrzebowania na energi w systemach wentylacji i klimatyzacji
klimatyzacji
oferuje
znaczne
mo liwo ci
przeprowadzania ró norodnych analiz, o du ym
znaczeniu praktycznym dla inwestorów, architektów lub
projektantów. Np. analiza zu ycia energii w funkcji
zakresu mo liwych zmian temperatury i / lub wilgotno ci
wzgl dnej powietrza wewn trznego [4]. Ilo mo liwych
do uzyskania informacji jest porównywalna z pełnymi
symulacjami dynamiki cieplnej budynków, przy
jednoczesnej prostocie metody niewiele wykraczaj cej
poza
metody
miesi czne
(obliczenia
mo na
przeprowadzi w arkuszu kalkulacyjnym).
Równocze nie metoda mo e by w prosty sposób
uzupełniona o kolejne elementy procesów uzdatniania
powietrza np. takie jak wymienniki gruntowe, chłodzenie
adiabatyczne i inne. Oprócz systemów CAV mo na
wprowadzi zale no ci 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 15241. 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 15241 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
zało onego zakresu zmienno ci parametrów powietrza w
pomieszczeniach na całoroczne zu ycie energii, Building
Physics in Theory and Practice, Nr 4/2009 (artykuł
zgłoszony do druku)
Strona 6 z 6