Student
Högtempererad komfortkyla tillämpad för Scania CV AB
High temperature comfort cooling applied for Scania
David Gotthardsson EN1614
Sammanfattning
Detta examensarbete har genomförts under våren 2016 på uppdrag av Scania Industrial Maintenance AB. Målet med arbetet var att finna en teknisk och ekonomisk lösning för installation av högtempererade komfortkylsystem i Scanias kontorslokaler, anslutna till dagens returledning i fjärrkylanätet. Den tekniska lösningen har funnits genom en serie analyser där tankemetodiken kan sammanfattas som ”nuläge respektive högtempererat läge”. Arbetet behandlar ett pilotprojekt, där en installationslösning för en konkret kontorslokal hos Scania tagits fram. Dessutom har analyser tagits fram för ett fiktivt referenskontor och flertalet kylbatterier med avsikten att underlätta framtida projekteringar.
I arbetet utfördes en analys av komfortkylsystemen på kontorsnivå, där bland annat inomhusklimat, ventilation och kylbaffelsystem innefattades. I denna analys beskrivs utifrån intervjuer med tillverkare vart utvecklingen står kring kylbaffelsystem, samt dess prestanda och dimensionerande parametrar. Det fastslogs i detta arbete att kylbaffelsystem från leverantörerna Halton och Lindab anpassade för högtempererad drift fungerar för drift i Scanias kontorslokaler, och i anslutning till Scanias fjärrkylanät.
Gällandes kylbatterier för kylning av tilluft fastslogs i detta arbete att möjligheterna för konvertering till högtempererad drift är möjlig beroende på hur kylbatteriet dimensionerats i lågtempererat utförande. Eftersom flertalet av Scanias kylbatterier redan idag är underdimensionerade för drift enligt Scanias tekniska riktlinjer VVS, är det generella svaret dock att kylbatteriet i samband med konvertering kommer behöva bytas till en större modell.
Beräkningsmodeller utförda i Microsoft Excel och experimentella körningar av den fjärrkyla-‐
värmeväxlare som förser Scania tekniskt centrum med fjärrkyla visade att integreringen av högtempererade komfortkylsystem medför förbättrade driftförhållanden och en sänkt primärflödesförbrukning i samband med konverteringar av kylsystemen i befintliga kontorslokaler. En bra punkt att hämta returkyla lokaliserades i byggnad 118, som även valdes att studera vidare som ett pilotprojekt.
Om komfortkylbehovet ökar hos Scania så är högtempererad kyla ansluten till fjärrkylans returledning ett bra alternativ till de traditionella lågtempererade systemen. Eftersom fjärrkylnätet idag är nästintill fullt utnyttjat så blir konsekvenserna av ytterligare lågtempererade installationer att kylmaskiner måste köras. Högtempererade komfortkylsystem har ett lägre komponentpris än lågtemperatursystem, men kräver pump-‐
och rörsystem för att förse systemen med returkyla.
I pilotprojektet, lokaliserad i byggnad 118, norra flygeln plan 12 fastslogs att en konvertering till högtempererad kyla är genomförbar. Ett utbyte av kylbafflarna 1:1 medförde att den totala netto kyleffekten till lokalen kunde bibehållas för kylbaffelsystem från Lindab, vid en inomhustemperaturökning från 23℃ till 25℃ . Den totala installationskostnaden för konvertering med kylbaffelsystem från Lindab respektive Halton beräknades till 648 respektive 500 SEK/m2. Pilotprojektet är ett bra sätt att samla erfarenheter samt utvärdera systemen på, bland annat kan det faktiska kylvätskebehovet mätas, vilket är en viktig parameter inför framtida projekteringar.
Abstract
This master thesis has been performed during the spring of 2016 on behalf of Scania Industrial Maintenance AB. The aim of the project was to find a technical and economical solution for the installation of high-‐temperature-‐cooling systems in Scania offices, connected to the exhaust of the district cooling system. The technical solution has been achieved by a series of analysis where the focus was to compare todays installed systems with the future “high-‐tempered”
systems. The project includes a pilot project, where the installation of the systems was described in an actual office building in Scania. Besides the pilot project, analysis were made of a fictional reference office and for several air coolers with the purpose of making future projects easier.
In the thesis, the comfort cooling systems were analyzed, including indoor climate, chilled beams and HVAC systems. Based on interviews with manufacturers, the development of high temperature cooling chilled beams were described, as well as the performance and design specifications of existing products. It was concluded that the high temperature cooling products of the manufacturers Lindab and Halton could be incorporated in Scanias offices, connecting to the return pipes of the district-‐cooling grid.
The possibilities of converting an air cooler heat exchanger to operate at the higher temperature program vary depending on how the air cooler was originally designed. Since many air coolers in Scania are already too small to operate according to the guidelines of Scania technical HVAC, the general answer regarding conversion possibilities would be that the air cooler needs to be replaced with a bigger model.
Calculation models performed with Microsoft Excel as well as experimental test runs of the district cooling heat exchanger located in Scania technical center showed that the integration of high-‐temperature-‐cooling systems implies better operating conditions and a lowered consumption of primary water flow when converting cooling systems in office buildings. A good location of gathering return flow was at building 118, which was also chosen to study further as a pilot project.
If the comfort cooling demand in Scania increases, high temperature cooling systems connected to district cooling return pipes is a good alternative to traditional low-‐temperature systems. Since the district cooling system today is almost fully utilized, installing additional low-‐temperature cooling systems would require an increased cooling demand from chillers. In this case, high temperature cooling systems is a good alternative. These systems have a lower component price than low temperature systems, but needs to have a pump system and pipes supplying return flow.
In the pilot project, located in the north wing at the top floor of building 118, it was concluded that a high-‐temperature-‐cooling conversion was applicable. Replacing the existing chilled beams 1:1 with high-‐temperature alternatives entailed that the net cooling power to the office could be remained, although the indoor temperature had to be increased from 23℃ to 25℃.
The total cost for a high temperature conversion of the pilot project was calculated to 648 and 500 SEK/m2 for chilled beams Lindab and Halton. The pilot project is a good way of gathering data and experience regarding the high temperature systems. One important parameter is measuring the actual required flow to the systems, which can be determined with the pilot project.
Förord
Det här examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och är den avslutande delen av Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå Universitet. Arbetet har utförts på uppdrag av Scania Industrial Maintenance, avdelning QPA, under våren 2016. Detta arbete har varit väldigt lärorikt och utöver teknisk förståelse för ingående komponenter i ventilations-‐ och komfortkylsystem även gett mig förståelse och lärdomar kring praktisk installationsteknik och ekonomi kring dessa typer av system.
Jag vill tacka handledare Klas Norrstig, uppdragsgivare Roland Dahlström samt alla andra på QPA som samtliga bidragit med kunskap och vägledning under projektets gång. Dessutom vill jag tacka kontaktpersonerna på Skanska, Processor AB, IV produkt, Halton, Lindab, Fläkt Woods, och Swegon som hjälpt till med de tekniska frågeställningarna som uppstått i detta projekt.
Slutligen vill jag tacka Lotta Gotthardsson, labradoren Åke och resten av familjen för all stöttning under mina studier.
Södertälje, Juni 2016 David Gotthardsson
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 9
1.1 Bakgrund ... 9
1.2 Mål ... 9
1.3 Syfte ... 9
1.4 Frågeställningar ... 9
1.5 Byggnaders kylbehov ... 10
1.6 Termiskt inomhusklimat ... 10
1.7 Ventilation ... 10
1.7.1 Konstant luftflöde -‐CAV ... 10
1.7.2 Variabelt luftflöde-‐ VAV ... 11
1.7.3 Behovsstyrt luftflöde-‐ DCV ... 11
1.7.4 Återvinning av kyla ... 11
1.8 Vattenburen komfortkyla ... 12
1.8.1 Aktiva kylbafflar (ACB) ... 12
1.8.2 Passiva kylbafflar (PCB) ... 13
1.8.3 Kylbatteri ... 14
1.8.4 Högtempererad komfortkyla ... 14
1.9 Fjärrkyla ... 15
1.9.1 Kompressorkylmaskiner ... 15
1.9.2 Frikyla ... 16
1.9.3 Absorbtionskyla ... 16
2 Teori ... 17
2.1 Inomhusklimat ... 17
2.2 Transmissionsförluster ... 18
2.4 Ventilation ... 18
2.4.1 Värmeåtervinning i ventilation ... 18
2.4.2 Kylbatteri ... 19
2.5 Kylbaffelsystem ... 19
2.6 Värmeväxlare till fjärrkyla ... 19
2.7 Tryckfall och pumpeffekt ... 21
3 Metod-‐ Mikroanalys ... 23
3.1 Utredning av kylbehov ... 23
3.1.1 Inomhusklimat ... 23
3.1.2 Solinstrålning ... 23
3.1.3 Interna värmetillskott ... 25
3.1.4 Transmissionsförluster ... 25
3.1.5 Ventilationsförluster ... 25
3.1.6 Kontorsmodellens specifikationer ... 26
3.2 Dagens komfortkylalösningar ... 26
3.2.1 Dagens installerade kylbatterier ... 27
3.2.3 Komfortkylsystem-‐ LTC i kontorsmodell ... 28
3.3 Befintliga högtempererade komfortkylsystem ... 28
3.4 HTC-‐ konvertering av kylbatteri ... 29
3.5 Dimensionering av HTC-‐ kylbaffelsystem ... 30
3.6 Ekonomiska kalkyler i pilotprojekt ... 31
4. Metod-‐ Makroanalys ... 32
4.1 Systembeskrivning Scanias fjärrkylsystem ... 32
4.1.1 Norra området-‐ Byggnad 006 ... 34
4.1.2 Västra området-‐ Byggnad 150 ... 35
4.1.3 Södra området-‐ Byggnad 230 ... 35
4.1.4 STC ... 35
4.1.5 BY116-‐118 ... 38
4.2 Problembeskrivning i samband med ökat nyttjande av returvatten ... 41
4.3 Beräkningar för värmeväxlare ... 41
4.3.1 Beräkning av UA-‐värde från referensdrift ... 42
4.3.2 Beräkning av fouling factor i referensfall ... 42
4.3.3 Beräkning av primärflöde vid HTC-‐ drift ... 42
4.3.4 Metodik för användning av beräkningsmodell för värmeväxlare ... 42
4.4 Dimensionering av rörledningar och pumpeffekt ... 43
5. Generella resultat för högtempererade system ... 44
5.1 Kylbehov kontorsmodell ... 44
5.2 Dimensionering av kyleffekt kontorsmodell ... 44
5.3 Befintliga högtemperaturssystem kylbafflar ... 45
5.3.1 Fläkt Woods ... 45
5.3.2 Swegon ... 46
5.3.3 Lindab ... 46
5.3.4 Halton ... 46
5.4 Fjärrkylavärmeväxlare VVX90-‐001-‐ drift med högtempererade komfortkylsystem ... 47
6-‐ Resultat-‐ Högtempererad kyla i byggnad 116-‐118 ... 48
6.1 Dagens komfortkylsystem i BY116-‐118 ... 48
6.3 Pilotprojekt-‐ utredning av kylbehov ... 53
6.4 Komfortkyla i pilotprojekt-‐ nuläge ... 55
6.5 Kylbatteri-‐ högtempererat läge ... 57
6.6 Högtempererat kylsystem-‐ Installation och drift ... 59
6.7 Ekonomi för installationer av högtempererad komfortkyla ... 60
6.8 Exempel på övriga kylbatterikonverteringari byggnad 118 ... 61
6.8.1 Konvertering/utbyte av kylbatteri TA118-‐021 ... 61
6.8.2 Konvertering av kylbatteri TAFA92-‐118-‐002 ... 64
7. Diskussion ... 67
7.1 Besparingar i fjärrkylavärmeväxlare ... 67
7.2 Kylbatteri för högtempererad drift ... 67
7.3 Kylbaffelsystem för högtempererad drift ... 68
7.4 Pilotprojekt ... 68
7.5 Scenario-‐ utökning av komfortkylbehovet i STC ... 69
8. Slutsatser ... 70
Litteraturförteckning ... 71
Nomenklatur
Värmeöverföring i ventilationssystem
𝜌 Densitet [𝑘𝑔/𝑚!] ℎ!" Entalpi tilluft [𝑘𝐽/𝑘𝑔]ℎ!"# Entalpi inomhusluft [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
ℎ!å Entalpi luft efter återvinningssystem [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
𝑄!"## Tilluftsflöde [𝑚!𝑠!!] 𝑄!"å! Frånluftsflöde [𝑚!𝑠!!]
Värmeväxlare
𝑚!,! Primärflöde i referensfall [𝑚!∙ ℎ!!] 𝑚!,! Sekundärflöde i referensfall [𝑚!∙ ℎ!!]
𝑚!,! Sekundärflöde till komfortkyla i byggnad 116-‐118 i referensfall [𝑚!∙ ℎ!!] Δ𝑇!,! Temperaturdifferens på primärsidan i referensfall [℃]
Δ𝑇!,! Temperaturdifferens på sekundärsidan i referensfall [℃]
Δ𝑇!,! Temperaturdifferens på primärsidan i referensfall [℃]
𝑇!,!" Temperaturdifferens komfortkylnät i byggnad 116-‐118 i referensfall [℃]
𝑇!,!" Temperatur fjärrkyla in [℃]
𝑃!!" Effekt värmeväxlare [𝑘𝑊]
𝑃!"# Högtempererad kyleffekt [𝑘𝑊]
Δ𝑚!,! Primärflöde efter installerad högtempererad komfortkyla [𝑚!∙ ℎ!!] Δ𝑚!,! Sekundärflöde efter installerad högtempererad komfortkyla [𝑚!∙ ℎ!!]
𝑋 Andel besparat primärflöde för högtempererad komfortkyla [𝑚!∙ ℎ!!] 𝑈𝐴! Värmeväxlarens totala UA-‐ värde i referensfall [𝑊 ∙ 𝐾!!]
𝑈𝐴! Värmeväxlarens totala UA-‐ värde med HTC-‐ installation [𝑊 ∙ 𝐾!!]
𝑘!"## Värmeöverföringskoefficient metall i VVX [𝑊 ∙ 𝐴!!∙ 𝐾!!]
ℎ!" Värmeöverföringskoefficient sjövattensida VVX [𝑊 ∙ 𝐴!!∙ 𝐾!!]
ℎ! Värmeöverföringskoefficient sekundärsida VVX [𝑊 ∙ 𝐴!!∙ 𝐾!!]
𝐹!"## Värmeöverföringskoefficient nedsmutsning VVX [𝑊 ∙ 𝐴!!∙ 𝐾!!]
Tryckfall och pumpeffekt
𝑓! Darcy friction factor
𝜈 Kinematisk viskositet [𝑠!!𝑚!!] 𝑣! Medelhastighet [𝑚 ∙ 𝑠!!]
𝑑 Diameter [𝑚𝑚]
𝜌 Densitet [𝑘𝑔 ∙ 𝑚!!]
𝑘 Ytråhet [𝑚𝑚]
𝑝! Tryckförlust [𝑘𝑃𝑎]
𝐻 Tryckhöjd [𝑚]
𝑄! Flöde vatten [𝑚!/𝑠]
Förklaringar
Primärsida Fjärrkylaledningar på sjövattensidan.
Sekundärsida Fjärrkylaledningar på Scanias förbrukarsida.
Batteri Enhet som överför termisk energi mellan en sluten fluidkrets och tilluft.
Kombibatteri Ett batteri som används både till kyla och värme.
Värmeväxlare Enhet som överför termisk energi mellan fjärrkylanätets primär/sekundärsida.
Vått/torrt tryckfall Tryckfallet i ett kylbatteri då ytan som angränsar till luften är våt respektive torr.
PG-‐rail En gejdkant för anslutning av kylbatteri i ventilationskanaler.
Dropplåt Plåt för uppsamling av kondensat i kylbatteri.
Rumstemperatur Rumstemperaturen avser temperaturen 1,5 m från golvnivån.
Temperaturgradient Lodräta temperaturskillnaden i luften per meter i lokalen.
Specifik effekt Tillförd kyleffekt per kvadratmeter golvyta.
Netto kyleffekt Kyleffekt minus ventilationsförluster.
Daggpunktsreglering Injustering av köldbärartemperaturen till kylbaffelsystem för att undvika risken för kondens.
Förkortningar
ACB Aktiva kylbafflar PCB Passiva kylbafflar
HTC Högtempererad komfortkyla LK Luftkylare för kylning av återluft TA Tilluftsaggregat
TKL Kylbatteri för tilluft
SH Shunt
SHG Shuntgrupp
DSUT Dimensionerande utomhustemperatur sommartid
DIT Dimensionerande inomhustemperatur
1 Inledning
Scanias energimål till år 2020 är att halvera den totala energianvändningen per producerad lastbil, med år 2010 som baslinje. Detta mål innefattar dock inte R&D, som i dagsläget planerar att införa egna energimål [1]. Scania har dock ett omfattande energitänk och avser effektivisera de många energikrävande processer som fordonstillverkning innebär.
System för att producera och distribuera komfortkyla står generellt för några få procent upp till 10-‐ 20 procent av en byggnads totala energianvändning [2]. Effektivisering av dessa system är därför en viktig parameter i arbetet i att minska dess energianvändning. Scanias kontor förtätas i dagsläget ofta, där arbetsplatserna i kontorslandskapen ökas, vilket ställer hårdare krav på komfortkylsystemen.
Detta kapitel syftar till att ge läsaren den tekniska förståelse som krävs för att förstå projektets bakgrund samt syfte och mål.
1.1 Bakgrund
Scania Industrial Maintenance AB är ett helägt dotterbolag till Scania CV AB. Företaget är ett tekniskt produktionsstödjande bolag med ett brett utbud av tjänster inom industriella projekt samt produktions-‐ och anläggningsunderhåll. Scania har den största delen av sin produktion i Södertälje, även om en viss produktion finns i Luleå, Oskarshamn samt övriga Europa och Latinamerika.
Den sammanlagda kontorsytan för samtliga av Scanias byggnader i Södertälje är i dagsläget på ca 121 300 m2. En stor del av dessa byggnader har installerad komfortkyla, vilken håller nere inomhustemperaturen under tillfällen då den annars skulle riskera att gå ovanför den nivån som anses behaglig för de arbetande i lokalen. Komfortkylan kommer till största del från fjärrkyla, vilken tas från ett djuphål i Mälaren. Fjärrkylsystemet för Scania är i dagsläget nästintill fullt utnyttjad med avseende på det maximala abonnerade flödet samt kapacitet i sekundärledningar. Att utföra effektiviseringar på fjärrkylnätet är därmed högaktuellt för Scania. Ett sätt att göra detta är genom att effektivisera komfortkylan, vilket är vad denna rapport behandlar.
1.2 Mål
Målet med projektet var att komma fram till en teknisk/ekonomisk lösning till installation av högtempererade komfortkylsystem anslutna till returledningen av dagens fjärrkylanät.
1.3 Syfte
Syftet med projektet var att bidra till att det befintliga fjärrkylsystemet kan utnyttjas i högre grad.
1.4 Frågeställningar
• Hur skall en konvertering till högtempererad komfortkyla ske och vad blir konsekvenserna för dimensionerande tekniska parametrar?
• Hur ser ekonomin ut för dessa installationer?
• Vad blir konsekvenserna på systemet i sin helhet vid konvertering alternativt
• Hur ser underhålls-‐ och driftskostnaderna ut för dessa system?
1.5 Byggnaders kylbehov
I kontor och arbetslokaler är tillförseln av energi ofta hög. Solinstrålning, elanvändning och belysning i kombination med hög personnärvaro och högisolerade klimatskal medför att övertemperaturer kan förekomma även då temperaturen utomhus är under den tolererade inomhustemperaturen. För att kunna hålla en accepterad temperatur inomhus krävs metoder för att kyla lokalerna.
Olika byggnaders faktiska kylbehov beror på flera olika parametrar. En energieffektiv byggnad bör därför ha ett komfortkylsystem som är optimerat utefter dess specifika behov.
För att en byggnad skall kunna bibehålla ett visst inomhusklimat krävs att en energibalans föreligger, där de bidragande värmekällorna kan delas upp i transmissions-‐, strålnings-‐, luftläckage-‐ och ventilationsförluster samt intern värmegenerering.
1.6 Termiskt inomhusklimat
En byggnads kylbehov är i första hand beroende av vilket termiskt klimat som måste hållas för att människorna skall uppleva detta som behagligt. Det upplevda termiska inomhusklimatet beror på inomhusluftens temperatur, fuktighet och luftens hastighet, samt omgivande ytors strålningstemperatur. Därefter beror upplevelsen av inomhusklimatet på individuella faktorer såsom aktivitetsgrad och klädsel. Oavsett hur väl man lyckas skapa ett inomhusklimat är det sannolikt att minst 5 % av personerna är missnöjda [3].
Den operativa temperaturen skall enligt folkhälsomyndigheten hållas mellan 18℃ − 23℃ [4].
Vid operativa temperaturer över 24 ̊C varaktigt respektive 26 ̊C kortvarigt kan inomhusklimatet betraktas som en olägenhet, men vid högre temperaturer än 24 ̊C kan högre lufthastigheter accepteras [4].
1.7 Ventilation
En av de grundläggande byggstenarna i ett komfortkylsystem är ventilationen. För att erhålla ett behagligt inomhusklimat krävs att faktorer såsom tilluftstemperatur, lufthastighet och luftfuktighet kan hållas inom respektive tolererade områden. Enligt arbetsmiljöverket bör utelufttsflödet minst vara 7 l/s och person vid stillasittande arbete. Ett tillägg på 0,35 l/s,m2 bör adderas för att ta hänsyn till luftföroreningar från andra källor än personer [5].
1.7.1 Konstant luftflöde -‐CAV
Ett sätt att styra ett ventilationssystem på är genom att låta luftflödet vara konstant genom kanalerna, därav namnet constant air volume (CAV). Enligt Jonas Gräslund, teknikchef på Skanska [6], går kontorsbyggnader idag allt mer mot CAV-‐system av flera anledningar. Denna metod kräver ingen avancerad styrutrustning såsom elektroniska ställdon eller sensorer.
Genom att undvika utnyttjandet av avancerade styrsystem minskar risken för driftproblem, och dessutom blir installationskostnaden lägre.
CAV-‐ system cirkulerar generellt en stor mängd tilluft eftersom byggnadens maximala ventilationsbehov i princip alltid tillförs byggnaden. Skanskas huvudkontor har därför i CAV-‐
systemet integrerat ett högeffektivt värmeåtervinningssystem, med en temperaturverkningsgrad mellan 82-‐88 %. Detta innebär att merparten av energin i ventilationsluften återvinns innan den lämnar byggnaden. Den potentiella energibesparingen
som skulle erhållas av att med avancerad styrteknik kunna minska ventilationsflödet är därmed inte så stort [6].
Genom att installera CAV-‐system med grova kanaldimensioner och låga lufthastigheter ökar dessutom flexibiliteten för systemet. Om en ombyggnation i framtiden exempelvis skulle öka ventilationsbehovet är detta därmed lätt åtgärdat. Skanska dimensionerar exempelvis idag sina ventilationssystem för att ha en reservkapacitet av ca 30 % luftflöde.
1.7.2 Variabelt luftflöde-‐ VAV
Genom att styra ventilationen efter det faktiska behovet kan ventilationsflödet minimeras.
Vanligt är att flödet regleras efter inomhustemperaturen, koldioxidhalt eller efter personnärvaro. Regleringen kan ske med motordrivna spjäll, don eller frekvensstyrda fläktar.
VAV-‐ system ger potential till energibesparingar året runt, som ökar om värmeåtervinningen i ventilationen är låg eller om ventilationsbehovet är stort. Om något externt kylsystem inte förekommer så är VAV-‐system fördelaktigt då ventilationsflödet kan ökas för att kyla lokalen.
Enligt Bengt Samuelsson, försäljningschef på Halton AB i Sverige, är de årliga energibesparingspotentialen med VAV-‐ system stora [7]:
”I en typisk lokal med 60 procents användningsgrad, där andelen mötesrum utgör 15 procent av den totala kontorsytan, kan man spara 15 procent energi med behovsanpassad ventilation, jämfört med standardventilation.
Om ventilationen i kontorsrummen också styrs efter behov sparar man omkring 50 procent energi. I praktiken går det att spara ännu mer energi i kontorsrummen eftersom användningsgraden där ofta endast ligger på 30-‐35 procent”
1.7.3 Behovsstyrt luftflöde-‐ DCV
DCV står för demand controlled ventilation och innebär som namnet signalerar att ventilationen kan styras manuellt. Detta system utnyttjas i samband med både VAV och CAV-‐
system.
Att efter behov styra ventilationen förekommer ofta i lokaler med ojämnt ventilationsbehov såsom konferensrum eller föreläsningssalar. Dessa har vanligtvis en knapp som vid intryckt läge aktiverar ett forcerat flöde, i vilket ett spjäll öppnar eller en fläkt startas så att ventilationsflödet till byggnaden ökar. När knappen ej är nedtryckt är enbart ett grundflöde aktivt. Detta kan exempelvis väljas till 0,35l/s,m2, enligt arbetsmiljöverkets krav om dimensionerande ventilationsflödets med hänsynstagande till föroreningar från andra källor än personer [5]. Detta innebär att onödig ventilation av oanvända ytor minskar.
1.7.4 Återvinning av kyla
Ventilationssystemet kan kompletteras med luftvärmeväxlare för återvinning av kyla i returluften, vilken även nyttjas till värmeåtervinning när värmebehov finns. De vanligaste värmeväxlarna på marknaden idag är korsströmsvärmeväxlare, roterande värmeväxlare samt vätskekopplade värmeväxlare, där de två sistnämnda är vanligt förekommande i ventilationssystem i Scania.
Korsströmsvärmeväxlare har vanligtvis en temperaturverkningsgrad av 50-‐60%. Dessa är billiga och saknar helt rörliga delar.
De roterande luftvärmeväxlarna som finns idag på marknaden har ofta en temperaturverkningsgrad över 85% [8]. Dessa typer av värmeväxlare är dominerande vid nybyggnationer hos Scania idag [9]. De har dock en del rörliga delar som kräver extra underhåll samt har en hög investeringskostnad.
Batterivärmeväxlare innebär att två luftbatterier kopplas samman med en vätskekrets, där det ena är placerat i tilluftskanalen och det andra i frånluftskanalen. Detta innebär att från-‐ och tilluftskanalerna kan placeras på olika platser. Eftersom värmen måste överföras av en värmebärande fluid i ett slutet system mellan de två batterierna så blir temperaturverkningsgraden generellt mindre, vanligtvis runt 50% [10]. Skanska har dock i sitt nya huvudkontor i Stockholm med hjälp av dubbla batterivärmeväxlare fått upp temperaturverkningsgraden till 82-‐88% [6].
1.8 Vattenburen komfortkyla
Det vanligaste tillvägagångssättet att kyla kontorslokaler är idag genom att installera hydroniska kylbaffelsystem. Dessa kan delas in i två grupper, passiva och aktiva kylbafflar.
Gemensamt för systemen är att de cirkulerar vatten genom ett batteri för att kyla luften. Båda typerna har lösningar för inmontering i innertak eller för hängande montering. Enligt Erik Mattson, avdelningschef inom industriella projekt VVS på Scania IM, [9] installeras i dagsläget i princip enbart inmonterade aktiva kylbafflar i Scanias kontorslokaler.
Kylbaffelsystemen kombineras ofta med ett kylbatteri vilken kyler tilluften till en önskad temperatur.
1.8.1 Aktiva kylbafflar (ACB)
Aktiva kylbafflar är de idag mest effektiva kylbafflarna, och därför det absolut vanligaste alternativet när kylbaffelsystem skall projekteras inom Scania. Dessa kylbafflar samverkar med ventilationssystemet vilket medför en ökad konvektiv värmeöverföring. Detta illustreras i Figur 1.
Figur 1- Principiell skiss över komfortkylsystem med aktiva kylbafflar där luftflöden åskådliggörs.
Efter att ha passerat kylbatteriet (4) går tilluften in i den aktiva kylbaffeln(5) där den trycks ut genom munstycken på kylbaffelns sidor(6-‐7). Detta skapar en medejektering av sekundärluft
(2) som tvingas igenom kylbaffelns kylbatteri där den kyls ned och blåses ut med tilluften. Den medejekterande luften har ofta ett betydligt högre flöde än tilluften (ca 3-‐4 gånger högre flöde). Den konvektiva värmeöverföringen som då uppstår medför att inomhusluften kan kylas effektivt.
Funktionen för ACB är till kylning, uppvärmning och som ventilationsdon. Konventionella aktiva kylbafflar förekommer ofta i 4-‐rörsmodell, där en separat krets finns för att tillföra värme respektive kyla till baffelns batteri. Överlappning av tillförsel av värme och kyla till ACB på grund av felaktig reglering är vanligt och innebär normalt ett energispill av 5-‐10% [11].
Den kyleffekt som levereras från en aktiv kylbaffel är beroende av de luftflöden som råder. För att få en hög medejektering krävs en hög hastighet på luften som strömmar ut ur ejektormunstycket. En hög hastighet erhålls genom att ha en hög tryckdifferens över ejektormunstycket. Höga lufthastigheter medför utöver en högre kyleffekt på kylbafflarna även att temperaturgradienten i rummet minskar, på grund av en högre cirkulation av inomhusluften. Enligt Bengt Samuelsson, försäljningschef på Halton AB i Sverige, [12] är temperaturgradienten då Haltons aktiva kylbaffelsystem används generellt lägre än 0,5 K.
Den ökade kyleffekten av ett högre ejektortryck måste dock vägas mot nackdelen av ett högre fläktarbete och en högre ljudnivå för att hålla samma luftflöde. Det tillåtna tryckfallet över ejektormunstycket för Lindab architecture moon ligger på 120 Pa [13]. Vid dimensionering av ventilationsflöde och tilluftsdon gäller att ljudnivån skall ligga under 30 dbA för Scania [14].
Det primära luftflödets påverkan på kyleffekten är också viktig för att erhålla en god kyleffekt.
Tilluften måste därför användas korrekt och fördelas jämnt över kylbafflarna. Den tillgängliga mängden tilluft måste tas hänsyn till vid dimensioneringen av kylsystem. Scania ställer normalt in kylbaffelsystemens luftflöden och ejektortryck efter tillverkarens rekommendationer.
Användningen av ACB begränsas ofta av luftens latenta last. I miljöer då produktionen av fukt är hög är kondensation mot ytorna på kylbaffeln ett vanligt problem. På grund av detta är kylbafflar mer lämpade i miljöer där luftfuktigheten kan hållas låg, exempelvis i kontorsmiljöer. Annars bör kylsystemet kombineras med daggpunktsreglering, vilket är ett system som höjer tilloppstemperaturen på köldbäraren under tillfällen då inomhusluften har hög luftfuktighet, exempelvis under sensommaren, för att förhindra kondens. Aktiva kylbaffelsystem har utöver daggpunktsreglering även ofta zonreglering, där en magnetventil styr tilloppsflödet till varje enskild kylbaffel, för att på så sätt kunna ge ett optimalt klimat för de som befinner sig i kylbaffelsystemets närhet.
1.8.2 Passiva kylbafflar (PCB)
Det passiva kylbaffelsystemet är inte sammankopplat med ventilationen, utan består i sin helhet av ett kylbatteri där vatten cirkulerar och kyler omgivande luft. Detta kan vara fördelaktigt när ventilation redan är ingjuten, eller när tilluften hellre vill placeras längs väggar eller golv. Scania har stora mängder passiva kylbafflar installerade i kontor. Eftersom dessa arbetar med ca. 30 % strålning, och ca. 70 % naturlig konvektiv värmeöverföring så krävs betydligt större kylytor jämfört med de aktiva kylbafflarna. Passiva kylbaffelsystem utrustas på samma sätt som för aktiva kylbafflar ofta med zonreglering och daggpunkstreglering.
1.8.3 Kylbatteri för kylning av tilluft
Ett kylbatteri är en värmeväxlare vars uppdrag är att kyla uteluften till en viss temperatur, varefter luften benämns tilluft. Kylbatteriet består av kopparrör med yttre monterade flänsar, där en köldbärare cirulerar genom rören och på så sätt kyler luften som passerar över flänsarna.
1.8.4 Högtempererad komfortkyla
Uttrycket högtempererad komfortkyla låter minst sagt motsägelsefullt. Vad denna rapport syftar till med detta uttryck är att den vattenburna kylkretsen som tillför byggnaden komfortkyla håller en högre temperatur än vad konventionella system normalt gör.
Konventionella komfortkylsystem kyler normalt med tilloppstemperaturer mellan 12°𝐶 − 15°𝐶 på köldbärarkretsen för kylbaffelsystem. Högtempererade system arbetar med tillopps-‐
temperaturer mellan 18°𝐶 − 20°𝐶 [15].
Högtempererade komfortkylsystem är ett relativt nytt område där flertalet aktörer såsom Swegon, Lindab, FläktWoods samt Halton nyligen lanserat, eller är på väg att lansera produkter som klarar av högtempererad drift. Eftersom högre drifttemperaturer på kylvattnet medför en lägre temperaturskillnad mellan rum-‐ och kylsystem så krävs att produkterna anpassas för att klara av att leverera en korrekt mängd kyla. För kylbatterier krävs exempelvis en större värmeöverförande yta och fler rörrader.
Högtempererade kylbaffelsystem ger en större termisk tröghet avseende temperaturförändringar i byggnaden. Eftersom de arbetar med temperaturer som ligger väldigt nära den faktiska inomhustemperaturen så självregleras kyleffekten baserat på inomhustemperaturen vid en viss plats i byggnaden. Om en byggnads södra del exempelvis utsätts för en hög solinstrålning, vilket medför en hög inomhustemperatur, så blir kylbaffelns temperatur lägre än inomhusluften, varpå kyla levereras till den delen av byggnaden. Den norra delen av byggnaden kanske däremot är undertempererad på grund av lägre värmelaster, varpå lokalen värms av kylbafflarna, som då är varmare än inomhusluften.
Högtempererade komfortkylsystem brukar på grund av denna egenskap ofta kallas självreglerande system. Denna funktion medför att kylanvändningen kan reduceras under tillfällen då kylbehovet är ojämnt fördelat i byggnaden. Under exempelvis höst-‐ och vår, kan detta därför medföra en energibesparing. En schematisk bild över ett självreglerande komfortkylsystem visas i Figur 2.
Figur 2- Självreglerande komfortkylsystem [16].
1.9 Fjärrkyla
Fjärrkyla används till kylning av kontors-‐ och affärslokaler, men även för kylning i industriprocesser. Fjärrkyla har stora likheter med fjärrvärme, där skillnaden är att fjärrkyla utnyttjar kallt vatten istället för varmt vatten, vilket produceras i en central anläggning och därefter distribueras i rörledningar till kunderna. Marknaden för fjärrkyla består av ett trettiotal företag som tillsammans producerar 0,9 TWh till ca 1000 kunder. Den största aktören på marknaden är Fortum värme som har en marknadsandel av 46,8 % [17]. Cirka 57
% av den totala produktionen av fjärrkyla sker i Stockholmsregionen.
Fjärrkyla innebär till skillnad från lokal produktion av kyla ofta en minskad miljöpåverkan.
Jämfört med en lokal produktion av kyla innebär fjärrkyla ett minskat elbehov samt en mindre användning av köldmedier som bidrar till växthuseffekten [17].
1.9.1 Kompressorkylmaskiner
Fjärrkyla kan produceras på flera olika sätt. I Sverige är det vanligaste sättet att producera fjärrkyla på med hjälp av kylmaskiner och värmepumpar, vilka tillsammans stod för 48 % av den totala produktionen av fjärrkyla under 2013 [17]. Ca 22 % av den totala produktionen av fjärrkyla består dessutom av spillkyla från Fortum värmes värmepumpar. Kylmaskiner och värmepumpar arbetar efter Carnotprocessen enligt Figur 3.
Figur 3- Carnotprocessen för kompressordrivna kylmaskiner och värmepumpar [17].
I kompressorn tillförs elektrisk energi som ökar trycket och temperaturen på det gasformiga köldmediet. Därefter passerar köldmediet en kondensor där värme avges till en värmesänka.
Hos värmepumpar, som dimensioneras efter att leverera värme, är det här värme produceras.
Därefter passerar köldmediet en strypventil som sänker trycket och temperaturen på mediet. I förångaren överförs sedan värme till en köldbärare, där temperaturen hos köldbäraren (fjärrkylan) sänks till en önskad temperatur.
1.9.2 Frikyla
Frikyla är samlingsnamnet för kyla som tas från omgivningen. Källan kan exempelvis vara havsvatten, flodvatten, grundvatten, sjövatten, snö eller den atmosfäriska luften. Teknikerna för att hämta upp frikyla är generellt enkla och innefattar enbart rördragningar, pumpar och värmeväxlare. Frikyla stod under 2013 för 24 % av fjärrkylaproduktionen [17].
1.9.3 Absorbtionskyla
Absorbtionskylmaskiner utnyttjar en värmekälla, exempelvis solenergi, spillvärme eller förbränning till att producera kyla. Maskinen arbetar efter samma grundläggande princip som kompressorkylmaskiner, där värme avges vid en hög temperatur och värme tas upp vid en låg temperatur. Skillnaden är att dessa maskiner inte har någon kompressor, utan en absorbator, generator och pump. Absorbtionskylmaskiner stod under 2013 för 11 % av den totala produktionen av fjärrkyla [17].
2 Teori
Den kyleffekt som måste tillföras en byggnad för att energibalans skall föreligga kan beskrivas enligt Ekv. 1.
𝑃!"# = 𝑃!"#$%+ 𝑃!"#å!"#"$+ 𝑃!ä!"#$%+ 𝑃!"#$+𝑃!" 1
2.1 Inomhusklimat
Den ekvivalenta temperaturen 𝑇!"#, som är ett mått över hur inomhusklimatet upplevs, kan beräknas enligt som funktion av luftens hastighet, medelstrålningstemperaturen och rumstemperaturen enligt Ekv. 2 [3]. Den operativa temperaturen erhålls om den hastighetsberoende termen elimineras.
𝑇!"# =𝑇!+ 𝑇!"#
2 − 8 ∙ 𝑣!"#$ 2
Medelstrålningstemperaturen 𝑇! beskriver medelvärdet för de omgivande ytornas strålningstemperatur enligt Ekv. 3 [3].
𝑇! = 𝑇!∙ 𝐹!+ 𝑇! ∙ 𝐹!+ 𝑇! ∙ 𝐹!… 3
Figur 4 visar hur luftens hastighet i samverkan med dess temperatur påverkar andelen otillfredsställda i en byggnad [18].
Figur 4- Andel otillfredsställda med inomhusklimatet som funktion av luftens hastighet och temperatur [3].
Den optimala operativa temperaturen beror även på personlig beklädnad och metabolism enligt Figur 5.
Figur 5- Optimal operativ temperatur som funktion av klädsel och metabolism [19].
2.2 Transmissionsförluster
Transmissionsförlusterna genom byggnadens klimatskal kan beräknas genom att summera byggnadens förlustfaktorer enligt Ekv. 4 [3].
𝑃!"#$% = 𝑈𝐴 !"#"$+ 𝑈𝐴 !ö!"#$%+ 𝑈𝐴 !"#$+ 𝑈𝐴 !"# ∙ 𝑇!"#− 𝑇!""# 4
2.4 Ventilation
Den värmande alternativt kylande effekten som ventilationen tillför byggnaden kan beräknas enligt Ekv. 5 [3].
𝑃!"#$ = 𝜌!"#$∙ 𝑄!"#$∙ ℎ!"− ℎ!"# 5
Ekv. 5 blir positiv under tillfällen då tilluften är varmare än inomhusluften, vilket innebär att ventilationssystemet levererar oönskad värme. Tilluften kyls därför ofta i kontorslokaler.
Samma ekvation kan även nyttjas till beräkningar av infiltrationsförluster där flödet samt entalpin för tilluften byts ut mot motsvarande för den infiltrerade luften.
Tryckfallsförändringen över ventilationssystem eller delsystem är proportionellt mot kvadraten av flödesförändringen enligt Ekv.6 [3].
Δ𝑝!
Δ𝑝! ∝ 𝑄!
𝑄!
!
6
2.4.1 Värmeåtervinning i ventilation
𝑇!å = 𝑇!"#− 𝜂!!"𝑄!"å!
𝑄!"## 𝑇!"#− 𝑇!"å! 7
Luftvärmeväxlarens totala kyleffekt beräknas enligt Ekv. 8 [3], där entalpierna för respektive post tas fram ur ett mollierdiagrammet såsom Figur 33 i avsnitt 6.3.1.
𝑇!å = 𝜌!"#$∙ 𝑄!"#$∙ ℎ!"#− ℎ!å 8
De kylbatteri som nyttjas till Scanias kontorslokaler är designade där kylvattenkretsen går i cirkulära kopparrör, medan luften cirkulerar ovanför kopparrören som är anslutna till flänsar i aluminium vilka effektivt leder bort värmen från luften.
2.4.2 Kylbatteri
Kyleffekten som levereras av kylbatteriet beräknas enligt Ekv. 9 [3].
𝑃! = 𝑄!"##∙ 𝜌!"## ∙ (ℎ!å− ℎ!") 9
Kyleffekten kan även skrivas som funktion av kylvattnet enligt Ekv. 10.
𝑃! = 𝑚!∙ 𝑐!,!∙ (𝑇!,!"− 𝑇!,!") 10
Ett annat alternativ är att beräkna kylbatteriets effekt som funktion av temperaturerna på kylvattnet och tilluften enligt Ekv. 11 [20], där F är en förlustfaktor som beror på att kylbatteriet inte helt agerar enligt motströmsprincipen.
𝑃! = 𝐹 ∙ 𝑈𝐴 ∙ Δ𝑇!" 11
Den logaritmiska medeltemperaturen i Ekv. 11 kan beräknas med Ekv. 19, där temperaturförhållandena för sekundärflödet ”s” respektive primärflödet ”p” byts ut mot temperaturerna för tilluften respektive kylvattenkretsen.
2.5 Kylbaffelsystem
Temperaturen på luften som omger ett kylbaffelsystem kan beskrivas som funktion av temperaturgradienten, takhöjden 𝐿!"# och rumstemperaturen enligt Ekv. 12.
𝑇!"# = 𝑇!"#+ 𝑇!"#$∙ (𝐿!"#− 1,5) 12
Kyleffekten är proportionell mot temperaturdifferensen mellan kylvattnets medeltemperatur och den omgivande luftens temperatur enligt Ekv. 13 [20].
𝑃!"# ∝ 𝑇!"#−𝑇!",!"+ 𝑇!",!"
2 13
2.6 Värmeväxlare till fjärrkyla
Effekten som överförs i en värmeväxlare kan uttryckas i form av en energibalans över primär-‐
𝑃!!" = 𝑚!∙ 𝑐!∙ 𝑇!,!"− 𝑇!,!" = 𝑚!∙ 𝑐!∙ 𝑇!,!"− 𝑇!,!" 14
Värmemotståndet 𝐾 i värmeväxlaren kan delas upp i konvektion på fjärrkyla-‐ respektive sekundärsidan samt konvektion genom ytan enligt Ekv. 15 [3].
1
𝐾= 1
ℎ!"+ 1 𝑘!"##+ 1
ℎ!+ 𝐹!"## 15
Prandtls tal beskrivs enligt Ekv. 16 [20].
𝑃𝑟 =µμ ∙ 𝑐!
𝑘 16
Reynolds tal för ett parallellt flöde över en platta beskrivs enligt Ekv. 17, där 𝑥 är avståndet från kanten av varje plattan [20].
𝑅𝑒 = 𝜌 ∙ 𝑉 ∙ 𝑥
µμ 17
Nusselts tal 𝑁𝑢 kan beskrivas som funktion av värmeöverföringskoefficienten ℎ enligt Ekv.18 [20].
𝑁𝑢 = ℎ ∙ 𝐿
𝑘 18
Korrelationen för Nusselts tal är beroende av vilken typ av flöde som råder. Vid 𝑅𝑒 = 5 ∙ 10! brukar man anse att flödet över en platta är fullt turbulent. Om flödet uppskattas vara turbulent över hela plattan kan Nusselts tal uppskattas enligt Ekv. 19 [20].
𝑁𝑢 = 0,037 ∙ 𝑅𝑒!!,!∙ 𝑃𝑟!/! 19
En icke-‐kompressibel fluids hastighet är proportionell mot dess massflöde. Om Ekv. 17 samt 18 arrangeras om och löses med avseende på ℎ , kan Ekv. 20 ställas upp där värmeöverföringskoeffeicientens beroende av massflödet beskrivs [20].
ℎ!! = ℎ!!,! 𝑚!!
𝑚!!,!
!,!
20
Effekten som överförs i en motströmsvärmeväxlare kan beskrivas som funktion av den logaritmiska medeltemeperaturdifferensen enligt Ekv. 21. [3].
𝑃!!" = (𝑈𝐴) ∙ 𝑇!,!"− 𝑇!,!" − 𝑇!,!" − 𝑇!,!"
ln (𝑇!,!"− 𝑇!,!") 𝑇!,!"− 𝑇!,!"
21
Att i specifika fall kunna beräkna vilken utloppstemperatur som kan förväntas erhållas på primär-‐ respektive sekundärledningen är av högsta vikt i de analyser som skall utföras i detta arbete. Det första delsteget i att erhålla dessa värden är att ta fram värmeväxlarens effektivitet, vilket kan göras med NTU-‐metoden.
