INSTALLATIONSTEKNIK - Inomhusmiljö, installationer, resursanvändning

Per Fahlén

Chalmers tekniska högskola

INSTALLATIONSTEKNIK

- Inomhusmiljö, installationer, resursanvändning

Behov Rummet Elan del 1

DCV Don Cava/Elan del 3 DCV

Distribution Elan del 3

DC Motorstyrning, systemlösning

Formas-Bic DC

Intelligent behovsstyrning

Elan del 2

Försörjning CEC

• Stationär Byggnader Apparater Processer

• Mobil Bilar Bussar Lastbilar Tåg

Flygplan Båtar

Termisk komfort

Inomhusmiljö

Luft-

kvalitet Miljö

Resursanvändning

Energi effektivitet Värme

Kyla Ventilation

Tekniska installationer

Styr-o. regler Tele, IT

Elkraft

- Perceptionsfaktorer och deras källor - Modeller för att prediktera luftkvalitet,

termiskt klimat och perception

- Metoder att koppla objektiv mätning och subjektiv upplevelse för formulering av kvantifierbara krav

- Miljöbelastning och energieffektivitet för alternativa system med given funktion - Samband funktionskrav - belastning

- Samband belastning – återvinning/lokal/central försörjning

- Systemmodeller för beräkning av primärenergi vid LCA

-Behov/förekomst av nya komponenter

-Komponenters funktion inom vida arbetsom- råden, modellering, mätning

- Analysera system för venti- lation, värme, kyla och belysning baserat på verkliga behov

- Systemmodeller för funk- tionsprediktering

BEHOV OCH BEHOVSRELATERAD STYRNING

• Verksamhet Människor

Processer Klimatkrav

värmare

Q

belysning

Q

apparat

Q

person

Q

n ventilatio

Q

on transmissi

Q

kallvatten gråvatten

Wef

/ 2

1kW m q_sol 

t_ute

t_rum

belysning

We_,

apparat

We_, ng

luftläckni

Q t_till

+ TA

t_av

VÅV

QVA

• Tekniska installationer Klimatisering

(värme, kyla, ventilation) Belysning ……

• Försörjningssystem Energi (arbete, värme) Information (tele, data, …) Processmedia ……

ELAN

Människa och teknik

VERKSAMHETENS BEHOV

Kyl- ma- skin Kyldisk

Qrad Q_trans ^

Q

Mvent

-

Kylbatteri

Butik Mvent

Minf ^Qpers

Qint

km

We_, int ,

We

• Bostäder och kontor

• ^Skolor

• ^Sjukhus

• ^Butiker

• Komplexa behov - Butiker

- Sjukhus

MÄNNISKORS BEHOV

• Termisk komfort - Lufttemperatur

- Strålningstemperatur - Lufthastighet

- Luftfuktighet

Centrala nervsystemet Infomationsbehandling

Styrning, reglering Lagring Presentation

Receptor "Ställdon"

Omgivningsmiljö

"inomhusklimat"

Kemisk till elektrisk energiomvandling

Spänning till frekvens omvandling

f V

I Stimulus intensitet

Generator spänning

Puls- frekvens modulerad

utsignal

• Frisk luft

- Sval och torr ”som champagne”

- Låg partikelhalt

- Fri från främmande gaser

UPPLEVELSEFAKTORER

"Predicted Percentage Dissatisfied"

som funktion av

"Predicted Mean Vote"

0 10 20 30 40 50

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

PMV [-]

PPD [%]

• Termisk balans (välkänt?)

• Psykosociala faktorer, stress

• Receptorer och signalbehandling

Produktivitetsminskning som funktion av rumstemperatur

0 5 10 15 20

15 20 25 30 35

Temperatur [°C]

Produktivitetsminskning [%]

Modell Modell Berglund, 1990 Wyon, 1996 Pepler, 1968 Johansson, 1975 Niemela, 2002 Niemela, 2001 Federspiel, 2002 Link&Pepler, 1970

KONSEKVENSER AV DÅLIGT INOMHUSKLIMAT

• Produktivitetsförlust (kvalitet och kvantitet)

• Sjukfrånvaro och personalomsättning

• ^Klagomål (mer arbete för fastighetsdriften)

KONTORSEKONOMI?

• Personalkostnad: 100 000 SEK/m

/år

• Hyra: 2 000 SEK/m

/år

• Kapitalkostnad installation: 200 - 1 000 SEK/m

/år

• Energikostnad: 100 - 500 SEK/m

/år

BYGGNADENS BEHOV

• Byggnad

- Flexibilitet, planlösning - Estetik

- Materialval

- Energi&Miljö (LCA)

• Verksamhet

- Drift och underhåll (LCC) - Energi

- Teknisk utrustning

• Inre och yttre

försörjningssystem

Yttre laster!

Inre laster!

(1+1=2)

INSTALLATIONSTEKNISKA SYSTEM

• Klimatstyrande installationer

Person, process

Installationer Inre förhållanden Yttre

förhållanden

Yttre försörjnings-

system

Mängd och kvalitet (t.ex. kW/°C, luftmängd/°C+renhet)

Behovsstyrning Framkoppling

-Behovsstyrning - Framkoppling - Prognosstyrning

Installations- tekniska system

Byggnads- automations-

system

VERKSAMHETSKRAV (värme, kyla, ventilation, vatten, elektricitet, belysning, ...)

Inomhusklimat och komfort

Försörjnings- system Byggnad

Försörjnings- system konstruktion

Uppfyllda krav?

Installations- tekniska system,

konstruktion

Behov Inomhusmiljö: Behovsanalys (beteende, verksamhet)

Energi och Miljö

Styr- och reglerteknik

Värme Kyla Vent. Belysn. Verks.

Behovs- styr- ning

Tekniska installationer: Behovsstyrning  önskad funktion med låg el-användning

Överföring Distribution Överföring Distribution Rening Distribution Apparater DistributionApparater Distribution

Q

W /_e  W /_e Q W /_e V W_e / ^We ^{/ pers,m2,}

VART TAR ENERGIN VÄGEN I BYGGNADER?

• Lokalbyggnad ur en installationsteknikers

perspektiv

Kategori Antal Årsekv.

• Professor 1 1

• Ekonom/tekniker 2 1

• Seniorforskare, lektorer 5+1 3,2+1

(adj. och bitr. professorer, docenter)

• Seniorforskare (”outsourcade”) 3 1

• Forskarassistenter 1 1

• Doktorander (anställda) 6+1 6+1

• Doktorander (stipendiater) 0 0

• Doktorander (industrin) 6 3-4

• TOTALT 25 18-19

• Inomhusmiljö

• Installationer

• Energi/miljö

EK-KB1-1

DN32 AT2

+5--+15 °C

KB2 processkylvatten VVX-KMK1

P-KB2-2 AV-KMK1-1

P-KB2-1 P-KMK1-1

AT1

-10--+10 °C VP1

P-VP1-2 P-VP1-1

P-KB1-2

P-KB1-1

VP2 Toppen

Botten Borrhålslager

Botten Toppen KMK1

AV-KMK1-2

VV-KMK1-1 P-BH1 till 9

RV-BH1 till 9

KB1 processköldbärare

VP2 DN50

DN50

DN32 DN32

DN32

DN32

DN32 DN32

DN32

DN32 DN32 DN32

DN32

EK-KB2-1

GT-AT1-1

GT-AT1-2

GT-AT2-1

GT-AT2-2 GF-KB1-1

GT-KB1-1 GT-BH-1 -- 9

GT-BH-10 -- 19

GT-KMK1-2

GT-KMK1-1

GT-VVX- KMK1-2

GT-VVX- KMK1-1

GT-VP1-2-2 GT-VP1-2-1 AV-KB1-1

AV - KB 1-2

AV-KB1-6 AV-KB1-3

AV-VP1-2-2 AV-VP1-2-1 AV-AT1-2-1 -- 3

SÄV-EK- KB1-1

GT-VP1-1-1 GT-VP1-1-2 AV-VP1-1-2

AV-VP1-1-1

AV-KB1-7 AV-KB1-4

GT-KB1-3 EP2

GT-KB1-2 AV-KB1-5

EK-KB1-1

DN32 AT2

+5--+15 °C

KB2 processkylvatten VVX-KMK1

P-KB2-2 AV-KMK1-1

P-KB2-1 P-KMK1-1

AT1

-10--+10 °C VP1

P-VP1-2 P-VP1-1

P-KB1-2

P-KB1-1

VP2 Toppen

Botten Borrhålslager

Botten Toppen KMK1

AV-KMK1-2

VV-KMK1-1 P-BH1 till 9

RV-BH1 till 9

KB1 processköldbärare

VP2 DN50

DN50

DN32 DN32

DN32

DN32

DN32 DN32

DN32

DN32 DN32 DN32

DN32

EK-KB2-1

GT-AT1-1

GT-AT1-2

GT-AT2-1

GT-AT2-2 GF-KB1-1

GT-KB1-1 GT-BH-1 -- 9

GT-BH-10 -- 19

GT-KMK1-2

GT-KMK1-1

GT-VVX- KMK1-2

GT-VVX- KMK1-1

GT-VP1-2-2 GT-VP1-2-1 AV-KB1-1

AV - KB 1-2

AV-KB1-6 AV-KB1-3

AV-VP1-2-2 AV-VP1-2-1 AV-AT1-2-1 -- 3

SÄV-EK- KB1-1

GT-VP1-1-1 GT-VP1-1-2 AV-VP1-1-2

AV-VP1-1-1

AV-KB1-7 AV-KB1-4

GT-KB1-3 EP2

GT-KB1-2 AV-KB1-5

ÖVRIGA RESURSER (OMVÄRLDSFÖRANKRING)

• Ett flertal företag medverkar i utbildningen (t.ex. i projekteringskursen)

• Ett 40-tal företag medverkar i våra forskningsprojekt

• Implementering av forskningsresultat i system och produkter

(t.ex. kapacitetsreglerade kompressorer, pumpar, fläktar; återladdning av borrhål, tilluftsdon, styr- och reglerprinciper, miljövärderingssystem, ...)

• Nya lösningar på gång!

• Företag satsar på våra experimentella resurser

(en stor del av övriga laboratorier läggs ned; lab. behöver verksamhet!)

• Internationell och nationell samverkan (USA, Kina, Norden, CEC, SP, KTH, LTH...)

• Våra civilingenjörer och forskare är eftersökta

• Många prisbelönta avhandlingar och examensarbeten

GRUNDUTBILDNING (B.Sc.nivå)

• Grundutbildning (V, M, A)

- Byggnaden som klimatsystem (V3, 4 p) - Kandidatarbeten

• Byggingenjörsutbildning - VA-teknik (6 p)

- Installationsteknik (6 p)

- Sanitetsinstallationer (4,5 p) - Projektarbete VVS (4,5 p)

- Värme- och ventilationsinstallationer (7,5 p) - Installationssamordning (3 p)

- Mätteknik

- Kandidatarbeten

GRUNDUTBILDNING (M.Sc.nivå)

Mastersprogam (både system och teknik!):

• Structural Engineering and Building Performance Design (BoM) - HVAC systems engineering

- HVAC systems design - Examensarbeten

• Architecture and Engineering (A) - Indoor climate and HVAC

- Examensarbeten

• Sustainable Energy Systems (EoM)

- Heating, Ventilation and Air Conditioning Systems Engineering - Air-conditioning, refrigeration and heat pump technology

- Examensarbeten

UTBILDNINGENS OMFATTNING

• Nordens största utbildning av civilingenjörer och forskare med inriktning installationsteknik

• 10-20 specialutbildade civilingenjörer per år

• 5-15 examens- arbeten per år

• 3-6 forskar-

examina per år - 5–10 egna

doktorander - 5–10 industri-

doktorander

Installationsteknik: Forskarmeritering

0 2 4 6 8 10

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Examensår

Antal per år

Bitr.prof.

Doc Dr Lic

Medel 2000-2004 1,6 dr/år 3,4 lic/år 10,5 civing/år

Lic Dr Doc Bitr. professor

MARKVÄRME MED VÄRMEPUMP - Värme, kyla (frikyla) och lagring i berg

• Värmekälla

• Värmesänka

• Värmelager

Värmestrålning Solstrålning

Nederbörd

Borrhål Borrhål Borrhål Borrhål

Värmeled- ning i berg Grundvatten- flöde i berg

Geotermiskt värmeflöde

10 - 20 m Påverkas av

årstidsväxlingar

Neutral zon

Temperatur stabil i tiden Ökar med ökande djup

SMÅHUS: FÖRUTSÄTTNINGAR

• Borås (Nutek/STEM referens) - Klimatzon 4, t_år = +5,8 °C

• Byggnad: 1977, fristående - BRA = 140 + 10 m²

- torpargrund

- isolering 12 cm (U  0,35 W/m²/K), - fönster 2-glas (U  2 W/m²/K)

• Installationer:

- F-ventilation, 165 m³/h (0,5 oms/h) - Direktel , 10,3 kW

- El-beredare, 300 liter, 1,5/3 kW

• Totalt köpt energi:

25 MWh/år, 167 kWh/m²/år

Elprisets utveckling

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

1980 1985 1990 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002År

Pris [SEK/kWh]

Moms Energiskatt Fast kostnad Energipris

VINNARKONCEPT

• Fast pris 39 000 SEK - värmepump ca. 4 kW - borrhål 60 m

- fläktkonvektor ca. 4 kW

• Tillägg 3 000 SEK - större fläktkonvektor - en radiator

• Förväntad besparing

- 9000 kWh/år (uppvärmning)

• Utvärdering + förberedelse av framtida modifieringar

OMBYGGNAD 3+4: RESULTAT

• Ökad besparing: SPF = 2,7 → SPF = 3,7 (varmvatten + lägre värmesystemtemperatur)

• Längre drifttider, färre starter (tillförlitlighet)

• Bättre reglerbarhet

Årlig elanvändning: Visthusgatan 6

0 5 10 15 20 25 30

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

Elanvändning [MWh]

Hushållsel Varmvatten Uppvärmning Värmepump installerad våren 1996

(bara för värme, inte för

Återladdning våren 2000

Ackumulatortank hösten 2004

Komplettering radiatorer våren 2006

IVAs Energiframsyn

SAMMANFATTNING

• Naturen ställer upp som värmekälla och lager - Kraftigt minskat behov av köpt energi

• Besparing: 25 MWh/år → 9-10 MWh /år - 4,5 MWh/år för värme och varmvatten - 167 kWh/m

/år → 63 kWh/m

/år

• Typiskt 70-tals direktelvärmt småhus med lägre

specifik energianvändning än moderna ”passivhus”

• Bättre styrning av inomhusklimatet än i ”passivhus”

• Ekonomi: Rak pay-off 5 år, nuvärde 260 000 SEK

- Investering ca. 80 000 SEK, besparing ca. 16 000 SEK/år