Funktionsanalys av ett ventilationssystem i en modern kontorsbyggnad ur energi- och

Examensarbete, 30 hp

Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik,300 hp

KYLSYSTEM I EN KONTORSBYGGNAD

Funktionsanalys av ett ventilationssystem i en modern kontorsbyggnad ur energi- och

termiskkomfort synpunkt under en sommarperiod

Abiel Tesfamhret

Sammanfattning

I detta examensarbete studeras kylsystem i en modern kontorsbyggnad i Umeå under en sommarperiod. Projektet har gjorts i samverkan med Umeå kommun och syftar till att analysera kylsystemets uppgift i byggnaden baserad på de olika system som utgör ventilationssystemet.

Detta gjordes genom att undersöka dess funktion och avgöra vart åtgärder kan genomföras.

Ventilationssystemet består av två typer av geoenergisystem för att förvärma och kyla inkommande utomhusluften, Earth to Heat Exchanger (EAHE) och Borehole Heat Exchange (BHE).

Ventilationssystemet innefattar även en roterande värmeväxlare och ett värmebatteri som hanterar byggnadens värmebehov. För att få en uppfattning om hur dessa system bidrar till ventilationssystemet undersöktes kyleffekter och temperatursamband för respektive system.

Studien visade att de olika systemen som utgör ventilationssystemet kompletterar varandra väl för att klara av kylbehovet under sommarperioden. Byggnadens ventilationssystem kunde minska den inkommande utomhusluften med totalt 8

C. BHE systemet var det som medverkade mest till kylsystemet med en temperatursänkning av 4

C. Dock kördes systemet ständigt igång och bidrog till onödig kylning av den inkommande luften. Detta kunde ha undvikits genom att programmera systemet så att det stoppas vid specifika utetemperaturer.

Luftintaget som tillhör EAHE systemet bidrog till höga kyleffekter på morgonen, vilket motsvarar stora temperaturminskningar av den inkommande utomhusluften. En tänkbar anledning kan vara luftintagets materialegenskap. Luftintaget som är gjort av stål kyls av de kalla sommarnätterna och har förmågan att bevara kylan. När ventilationssystemet sätts i drift på morgonen leds den inkommande utomhusluften genom det utkylda luftintaget, vilket leder till stora temperaturminskningar. Luftintaget värms däremot betydligt vid höga utomhustemperaturer under förutsättningar att det är vindstilla och att solen skiner rakt på den. Detta är ett bekymmer med tanke på att luftintaget även fungerar som ett luftfilter för EAHE systemet och uppvärmning av den redan varma utomhusluften innan den når ventilationsaggregaten inte är fördelaktigt.

För att studera detta byggdes en modell av luftintaget i COMSOL och simulerades. Modellen simulerades i 24 timmar under förutsättningar att utomhustemperaturen är en konstant 28

◦

C och solen skiner rakt på den. Detta gjordes för att se hur temperaturen fördelades över rörets mantelyta och för att se hur temperaturen i luftintaget påverkades över tiden.

Simuleringen visade att luftintagets yttemperatur ökade kraftigt vilket ledde till en ojämn

temperaturfördelning genom ytan. Simuleringen visade även att lufttemperaturen inne i luftintaget

påverkas av yttemperaturen. För att se om det sker en förändring med temperaturdistributionen

provsimulerades sedan luftintaget med andra materialtyper som tegel, trä och PEX. Detta

resulterade i att temperaturfördelningen genom ytan blev jämnare och att lufttemperaturen inne i

luftintaget endast visade sig ha en mycket liten påverkan av yttemperaturen. En åtgärd som kan

tänkas genomföras är då att byta ut luftintagets materialtyp för att undvika oavsiktlig uppvärmning

av den inkommande utomhusluften innan den når ventilationsaggregatet.

Cooling system in an office building: Functional analysis of a ventilation system in a modern office building from an energy and thermal comfort point of view during a summer period

Abstract

In this master thesis, cooling systems are studied in a modern office building in Umeå during a summer period. The project has been done in collaboration with the municipality of Umeå and aims to analyze the cooling system’s task in the building depending on the various systems that makes up the ventilation system. This was done by examining its operation and determining where improvements could be made.

The ventilation system is equipped with two types of geo-energy systems for preheating and cooling the incoming outdoor air, Earth to Heat Exchanger (EAHE) and Borehole Heat Exchange (BHE).

The ventilation system also includes a thermal wheel and a heat battery that handles the building’s heating demands. In order to get an idea of how these systems contribute to the ventilation system, cooling effects and temperature relationships for each system were investigated. The study showed that the various systems that make up the ventilation system complement each other well to meet the cooling needs during the summer period. The building’s ventilation system contributed to a total temperature reduction of the incoming outdoor air up to 8

C. The BHE system seems to be the one that contributed most to the cooling system with air temperature reduction of 4

C. However, the system was constantly running and contributed to unnecessary cooling of the incoming air. This could have been avoided by programming the system to switch off at specific outdoor temperatures.

The air intake that is apart of the EAHE system contributed to high cooling effects in the morning, which corresponds to large temperature reductions of the incoming outdoor air. A conceivable reason may be due to the material property of the air intake. The air intake that is made of steel is cooled by the cold summer nights and has the ability to preserve the cold. When the ventilation system starts operating in the morning, the incoming outdoor air flows through the cooled air intake and leads to large temperature reductions. Contrary to this, when it is hot outside, the air intake can contribute to large temperature increases. This is a concern because the air intake acts primarily as an air filter for the EAHE system and heating the already hot outdoor air before it reaches the ventilation units is not beneficial.

To study this, a model of the air intake was built in COMSOL and simulated. The simulation

showed that the air intake heats up significantly and leads to uneven temperature distribution

through the surface when the outdoor temperature is 28

C and the sun shines straight on the

surface. It was also found that the air temperature inside the air intake is affected by the surface

temperature. To see if there is a difference with the temperature distribution, the air intake was

then simulated with other material types such as brick, wood and PEX. This resulted in the

distribution of temperature through the surface becoming more uniform and the air temperature

inside the air intake barely being affected by the surface temperature. Therefore, it is recommended

to change the material type of the air intake in order to avoid unintended heating of the incoming

outdoor air before it reaches the ventilation unit.

Förord

Med detta examensarbete avslutar jag mina studier på civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitet. Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och har genomförts i samarbete med Umeå Kommun under höstterminen 2019.

Jag vill medföra ett stort tack till mina handledare på Umeå kommun Ulf Larsson och Ulf Roth, för allt stöd under projektets gång. Jag vill även tack min handledare på Umeå universitet Anders Åstrand, för råd och handledning kring rapportskrivandet. Speciellt tack till min tvillingbror Yobel Tesfamhret som har varit med mig från början till slut under min studie. Må vi fortsätta att nå stora milstolpar tillsammans i livet. Sist, men inte minst vill jag tacka mina föräldrar (Hailemariam och Gabru) och bröder (Yonas och Yoel) som stötte mig under min studiegång.

Umeå, januari 2020

Abiel Tesfamhret

Innehåll

1 Introduktion 1

1.1 Bakgrund . . . . 1

1.2 Syfte . . . . 2

1.3 Målsättning . . . . 2

1.4 Avgränsningar . . . . 2

2 Teori 3 2.1 Geoenergi . . . . 3

2.1.1 Passiv och aktiv geoenergi . . . . 3

2.1.2 EAHE - Earth to Air Heat Exchanger . . . . 3

2.1.3 BHE - Borehole Heat Exchange . . . . 4

2.1.4 Miljöpåverkan . . . . 4

2.1.5 Dimensionering . . . . 4

2.1.6 Förstudier kring geoenergi . . . . 5

2.2 Värmeöverföring . . . . 5

2.3 Roterande värmeväxlare . . . . 6

2.4 Eleffekt för fläktmotor . . . . 7

2.5 SFP-tal . . . . 7

2.6 Operativ temperatur . . . . 9

3 Systembeskrivning 11 3.1 Byggnadens klimatskal . . . 11

3.2 EAHE (Earth to air heat exchanger) . . . 12

3.2.1 Obelisken . . . 12

3.2.2 Markkanalen . . . 13

3.3 Ventilationsrummet . . . 13

3.3.1 BHE (Borehole Heat Exchanger) . . . 13

3.3.2 Roterande värmeväxlare . . . 14

3.3.3 Fläkt . . . 14

3.3.4 Värmebatteri . . . 15

3.4 Styr och övervakningssystem . . . 15

3.4.1 TAC Vista . . . 16

3.4.2 LINDINSPECT . . . 17

4 Metod 19 4.1 Litteraturstudie . . . 19

4.2 Mätdata insamling . . . 19

4.2.1 TAC-Vista . . . 19

4.2.2 LININSPECT . . . 20

4.3 Mätdata filtrering . . . 21

4.4 Mätdata plottning . . . 22

4.5 Kyleffekt beräkning . . . 23

4.6 Simulerig och optimering av Obelisken . . . 24

5 Resultat 25

5.1 Kyleffekter . . . 25

5.1.1 Obeliken . . . 25

5.1.2 Markkanalen . . . 26

5.1.3 Borrhålsbrunnen . . . 26

5.1.4 VVX + Värmebatteriet . . . 28

5.2 Samband mellan temperaturer . . . 30

5.2.1 Linjärregression . . . 30

5.2.2 Polynomregression . . . 32

5.3 Förutsägelse av temperaturändring genom varje system . . . 33

5.4 Underlag för att visualisera ventilationssystemets kylsystem . . . 35

5.5 Byggnadens totala energibehov . . . 37

5.6 SFP . . . 38

5.7 Nattkyla . . . 39

5.8 Operativ temperatur . . . 40

5.9 Simulering och optimering av Obelisken . . . 42

6 Diskussion 45 7 Slutsats 47 7.1 Framtida arbeten . . . 47

Referenser 48

1 Introduktion

Klimatförändringar orsakade av människans aktiviteter är ett stort problem som gradvis försämras.

Det ökande hotet av global uppvärmning och klimatförändringar har ökat medvetenheten om förhållandet mellan ekonomisk tillväxt, energianvändning och motsvarande miljöföroreningar [1].

Drygt 22 % av Sveriges totala energitillförsel bestod av fossila bränsle under år 2017. Vi står därför inför en utmaning att minska utsläppen av växthusgaser genom att sänka energitillförseln av fossila bränslen. Sverige har som mål att göra energianvändningen 50 % effektivare år 2030 jämfört med 2005, genom att skapa villkor för en effektivt hållbar energianvändning och en kostnadseffektiv energiförsörjning med låg negativ inverkan på hälsan, miljö och klimat [2, 3].

Bostads- och servicesektorn står för ca 40 % av Sveriges totala energianvändning [4]. Om man betraktar en byggnads energitillförsel ur ett helhetsperspektiv används 15 % av energin för att bygga byggnaden, 85 % för drift och underhåll under dess brukstid och mindre än 1 % för att riva ner byggnaden [5]. Därför är det viktigt att fokusera på en låg energianvändning under byggnadens brukstid. Energianvändning i byggnader fördelas mellan uppvärmning, komfortkyla, varmvatten, ventilation, belysning och apparater. Över hälften av energianvändningen i en fastighet går till uppvärmning, komfortkylning och varmvatten [4]. Behovet av uppvärmning och kylning påverkas av utomhustemperaturen, vilket kan leda till att det blir variationer i energianvändning mellan olika år.

1.1 Bakgrund

Kontorsbyggnader är till för att ge människor en säker, hälsosam och behaglig miljö att arbeta i. Under en sommarperiod kan kylbehov uppstå i kontorsbyggnader på grund av solinstrålning så väl som värme från personer och olika apparater i byggnaden. Även om kylbehovet anses vara litet jämfört med uppvärmningsbehovet räknas komfortkyla in i byggnadens energianvändning.

Därför är det viktigt satsa på kylenergi som hämtas direkt från omgivningen (sjövatten, uteluft eller dylikt) utan att använda sig av kylmaskiner som ökar beroendet av elkraft.

I detta examensarbete studeras kylsystem av en kontorsbyggnad som befinner sig i Umeå på Skolgatan 31. Kontorsbyggnaden som kallas för Kuben ägs av Umeå kommun och är en del av Stadshusets lokaler där många av Umeå kommuns verksamheter bedrivs. Kuben var en del av de ombyggnationer som skedde mellan år 2010 och 2017 på stadshusområdet på grund av att flera lokaler var trånga och dåligt anpassade samt hade bristande ventilations- och värmesystem.

Särskild anledning till byggnation av Kuben var för att öka antalet kontor då det fanns brist på arbetsplatser inom stadshusområdet [6].

Kubens är till stor del konstruerad av glas som spelar en avgörande roll i byggnadens

energiprestanda och komfort. Glasfasaden bidrar till byggnadens skönhet samtidigt som naturligt

ljus in och personalen kan se ut. Tanken bakom byggandet av en sådan typ av byggnad var för

att minska behovet av elektrisk belysning. Kubens ventilationssystem består av två typer av

geoenergissystem för att förvärma och kyla inkommande utomhusluften, nämligen Earth to Heat

Exchange (EAHE) och Borehole Heat Exchange (BHE). Ventilationssystemet innefattar även en

roterande värmeväxlare och ett värmebatteri som klarar av byggnadens värmebehov.

Byggnaden hade initialt problem med höga inomhustemperaturer under vår- och sommarsäsonger.

Därför togs det beslut om att bygga en borrhålsbrunn som består av fem kollektorsslingor nedgrävt 230 m under marken. Syftet med byggandet var att sänka kyl- och värmebelastningen genom att förvärma och kyla inkommande utomhusluften innan den når fram till ventilationsaggregatet.

Byggnaden har även ett smart tilluftsdon som styr övervakar klimatsituationen i fastighetens respektive rum. Drifttekniker började dessutom att köra nattkyla för att kompensera bort den höga inomhustemperaturen som personalen upplever på morgonen. Nuförtiden finns det inga stora bekymmer när det gäller kylsystemet men klagomål förekommer ibland om att det blir obehagligt varmt i byggnaden vid riktigt varma sommardagar.

Förvärmning av inkommande utomhusluften med geoenergianläggningarna under en vinterperiod utreddes tidigare och ansågs ge ett positivt tillskott till uppvärmningssystemet. Kylning av inkommande utomhusluften med geoenergianläggningarna under en sommarperiod kunde inte utredas på grund av saknade data. Ventilationssystems styr och övervakningsprogram har dock (från och med januari 2018) börjat att långtidslogga data även för sommarperioder, vilket ligger till grund till detta examensarbete.

1.2 Syfte

Syftet med projektet är att analysera kylsystemets funktion under en sommarperiod baserad på de olika systemen som utgör ventilationssystemet. Detta görs genom att undersöka dess uppgift och se var förbättringar kan genomföras. Syftet med examensarbetet är också att ta fram ett användarvänligt underlag som kan ge en bild av ventilationssystemet. Underlaget skall underlätta förståelsen kring funktionen av ventilationssystemet genom att visa hur lufttemperaturen ändras genom de olika delarna i systemet.

1.3 Målsättning

Projektets mål sammanfattas av följande punkter:

• analysera funktionaliteten av ventilationssystemet i kontorsbyggnaden.

• undersöka och jämföra hur de olika systemen bidrar till kylsystemet.

• avgöra vart åtgärder kan genomföras.

• inspektera prestanda av luftintaget.

• kontrollera tillstånd av inomhusklimatet.

1.4 Avgränsningar

Ventilationssystemet studeras enbart under månaderna maj, juni, juli och augusti. Studien

innefattar inte en komplett energikartläggning av kontorsbyggnaden utan fokus ligger istället på

2 Teori

I följande avsnitt presenteras teori som ligger till grund för arbetet.

2.1 Geoenergi

Ett sätt att värma eller kyla en byggnad genom att sänka energianvändningen är att använda sig av något som kallas för geoenergi. Geoenergi är energin som finns lagrad i berggrunden. Energin eller värmen i berggrunden kommer antingen från lagrad solenergi eller från jordens inre. Geotermisk värme från jordens inre kan i sin tur antingen ha lagrats redan när jorden bildades, eller så bildas den vid radioaktivt sönderfall i jordens inre och fylls ständigt på [7]. Nu för tiden används geoenergi allt mer för att förvärma och kyla fastigheter. En rapport som är framtagen av Geotec och Svensk Geoenergi visar på att Sverige var det land i världen som använde mest geoenergi räknat per capita under år 2012 [8]. Det finns ca 320 000 brunnar registrerade som energibrunnar i Sverige, som utgör den tredje största förnybara energikällan [9]. År 2016 uppskattades ca 18 TWh per år energitillskott av geoenergi till hushåll, industrier och fastigheter där 1–2 TWh gick till att kyla [10].

2.1.1 Passiv och aktiv geoenergi

Det finns två typer av geoenergisystem - passivt och aktivt geoenergi. I ett passivt geoenergisystem sker återledning av marktemperaturen från omgivningen främst i form av solenergi. Systemet är vanligt förekommande i villor samt små fastigheter. I ett aktivt geoenergisystem utvinns större mängd energi och används till större fastigheter samt industrier som har ett värmebehov under vintersäsongen och kylbehov under sommarsäsongen [8]. Det krävs goda kunskaper om berggrundens termiska egenskaper på de platser där man planerar bygga större anläggningar med flera borrhål [7]. Därför bör designen av större system föregås av undersökningsborrning med geologisk dokumentation, vilket är arbetskrävande, kostsamt och tar tid att projektera.

2.1.2 EAHE - Earth to Air Heat Exchanger

Jordtemperaturen under jordytan är nästan konstant beroende på djup och markens egenskaper och

klimatförhållanden. Denna konstanta temperatur är vanligtvis högre än omgivande lufttemperatur

på vintern och lägre än omgivande lufttemperatur på sommaren [11]. Fastigheter använder detta

fenomen för att minska kyl- och värmebelastningen genom att förvärma luften under vintern

och vice versa under sommaren. Tekniken kallas för EAHE-system vilket är en förkortning för

Earth to Air Heat Exchange. EAHE räknas som en typ av geoenergianläggning och fungerar

kortfattat genom att utomhusluft leds genom en rörledning i marken innan den når fram till ett

luftbehandlingsaggregat. Utomhusluften strömmar genom rören och energiväxlas med markens

temperatur vilket resulterar i att luftens temperatur vid utloppet blir högre eller lägre än

utomhusluften beroende på säsongen. På grund av luftavfuktning i rören under sommarsäsongen

finns det risk för kondensation som kan orsaka mögeltillväxt. Denna risk av mögeltillväxt kan

minskas genom att rören läggs med en lutning så att kondensvattnet kan samlas upp och föras

bort [12].

2.1.3 BHE - Borehole Heat Exchange

Av Sveriges dryga halvmiljon installerade geoenergisystem, utgör borrhålvärmeväxlare (BHE - borehole heat exchange) tre fjärdedelar [10]. En borrhålvärmeväxlare är en typ av geoenergianläggning som är designad för att utvinna termisk energi från marken. Beroende på energibehov och markförhållanden används vanligen en borrhålvärmeväxlare på 200 ± 100 m djup för ett typiskt bostadshus [13]. Men borrhål för riktigt djup geotermisk användning har begränsad potential i Skandinavien, enligt S. Gehlin et al [14]. Det finns stora osäkerheter kring om de höga investeringskostnaderna för djupare borrhål kan uppvägas av mer effektiv energiutvinning [15]. Därför domineras marknaden fullständigt av grunda geotermiska energisystem där borrhål är vertikalt förlagda i berggrunden, som inte är djupare än 300 m [14]. Det är nödvändigt att utföra Thermal Response Test (TRT) mätning innan man modellerar BHE-systemet så att berggrundens exakta värmeledningsförmåga och värmemotståndet är kända. TRT betyder att mäta de termiska egenskaperna hos ett borrhål genom att simulera beteendet av en borrhålväremväxlare [16].

2.1.4 Miljöpåverkan

Geoenergin anses vara en förnybar energikälla. När systemet är satt i bruk förekommer inga utsläpp av koldioxid eller andra växthusgaser som kan påverka miljön negativt. Därför brukar geoenergin ur miljöperspektivet likställas med solenergi [8]. Hur mycket bättre geoenergin är ur miljösynpunkt beror självklart på vad den ersätter. Geoenergi har spelat en viktig roll i att ersätta användning av fossilbränslen för uppvärmning i den svenska byggnadsbeståndet, särskilt för små bostadshus [17]. En faktor som bör beaktas när det kommer till geoenergins klimatpåverkan med avseende på koldioxidutsläpp är drivenergi. Utvärdering av drivenergin är dock svårbedömd. För i Sverige produceras elen till stor del av vattenkraftverk, biokraftverk och kärnkraft som anses vara ren elproduktion eller så produceras elen av kolkraftverk eller andra energiverk med stora koldioxidutsläpp. Därför blir det svårt att veta hur stor miljöpåverkan drivenergin respektive geoenergin har.

2.1.5 Dimensionering

Geoenergianläggningar dimensioneras utifrån dess placering, med avseende på klimat och de geologiska förutsättningarna. Ett underlag som innehåller resultat av undersökningar från provborrningar, provpumpningar och vattenkemiska analyser krävs för att kunna göra en ordentlig dimensionering och projektering av en geoenergianläggning [18]. SGU [7] har gjort en studie som visar geologisk information som fungerar som underlag för bedömning av geoenergianläggningar i Sverige. I den studien ingår bland annat att ta fram riktlinjer för borrning och information om berggrundens termiska egenskaper samt med hjälp av en karta tillgängliggöra SGU:s information till användarna [7].

Hur djupt borrhålet ska dimensioneras beror på anläggningens storlek och förmågan att erhålla

den effekt som önskas utvinnas. Givetvis utvinns större effekt desto djupare borrhålet är. En

artikel skriven av E. Björk et al. [19] tydliggör att om borrhålslängden överskrider 200 m så är

vanligaste typen av rör som används för borrhål är normalt minst 50 år, medan en värmepump kanske behöver bytas ut efter 15–20 år [19].

2.1.6 Förstudier kring geoenergi

Under sommarsäsongen är det lämpligt att ha ett väl kylt eller ventilerat inomhusklimat. Energin som går åt att kyla en fastighet under året är givetvis mycket lägre än energin som går åt för uppvärmningen. Fastigheter med fjärrvärme är vanligtvis försedda med kylmaskiner. Därför passar tekniken med borrhålsbrunn bättre än fjärrvärme, eftersom kylan täcks med frikyla från lagret.

Vilket förklaras av Geotec och Svensk Geoenergi som beskriver hur kostnaderna för att driva ett kylsystem baserat på geoenergi är betydligt lägre än för andra konventionella system eller fjärrkyla [8].

F. Al-Ajmia et al. [20] byggde en teoretisk modell av en jord-luftvärmeväxlare (EAHE) för att simulera utloppstemperatur och kylpotential i ett hett och torrt klimat. En byggnadsmodell som representerar en typisk Kuwaitiskt bostad och ett typiskt meteorologiskt år för Kuwait implementerades. Detta gjordes för att förutsäga de kylningsbelastningarna i bostaden med och utan hjälp av EAHE. Simuleringsresultat visade att EAHE kunde ge en minskning av 1700 W i den högsta kylbelastningen, med en inomhustemperaturminskning av 3 ℃ under högsommarsäsong i mitten av juli. EAHE har visat sig ha potential att minska efterfrågan på kylenergi i ett typiskt hus med 30 % under högsommarsäsongen [20].

I förstudien skriven av A. Zarrella et al. [21] presenteras en numerisk modell för att analysera det termiska beteendet hos vertikala borrhålvärmeväxlare med ett spiralformat rör. Den slutsats som drogs av artikeln efter att modellen simulerades och jämfördes mot experimentella data var att denna typ av modell kan vara ett lämpligt alternativ till konventionella borrhålsvärmeväxlare.

Speciellt när värmnings- och kylbelastningarna i en byggnad är mycket låga [21].

I studien av K. Heikkilä [22] undersöktes miljöpåverkan av geoenergisystemet med användning av LCA-metoden. Syftet med fallstudien var att undersöka miljökonsekvenser av ett ventilationssystem som använder ett borrhålssystem för uppvärmning och kylning. Resultaten visar att det borrhålsbaserade systemet presterar bättre inom 100 år i tre av de fyra undersökta kategorier:

försurning, övergödning och potential för global uppvärmning. Detta beror främst på att det används mindre material i produktionsfasen och mindre driftenergi under användarsteget [22].

2.2 Värmeöverföring

Värmeöverföring är ett grundläggande energitekniskt begrepp som beskrivs med effekt. Effekt är den mängd energi som krävs för att höja eller sänka temperaturen på materian, vilket beror på dess temperaturförändring, densitet, flödet och specifik värmekapacitet. Detta fundamentala energitekniska begrepp för effekt beskrivs med ekvation (1).

Q = ρ · q · C

· ∆T (1)

Q ˙ = Effekt [kW]

ρ = Densitet [kg/m

] q = Flödet [m

/s]

C

= Specifik värmekapacitet [kJ/(kg K)]

∆T = Temperaturskillnad [C]

2.3 Roterande värmeväxlare

Roterande värmeväxlare är en typ av värmeväxlare som har syftet att överföra värme från ett medium till ett annat med minsta möjliga temperaturförlust. En roterande värmeväxlare, till skillnad från andra värmeväxlingssystem, innehåller ett stort roterande hjul med vågiga metallplåtar lindad lager på lager, Figur 1. Metallplåtarna har hög värmeledningsförmåga och görs så tunna som möjligt. Det stora hjulet roterar runt sin egen axel som drivs av en elektrisk motor.

Hjulet sätts så att halva ändan hamnar på frånluftskanalen och den andra halvan på tilluftskanalen.

Värmeväxling fungerar kortfattat genom att den inkommande luften i frånluftkanalen avger värme till metallplåtarna. Hjulet roterar i sin tur och avger värmen till den inkommande luften på tilluftskanalen. Roterande värmeväxlares temperaturverkningsgrad kan antas komma upp till 85 % [23]. Under sommartid, då tilluften inte behövas värmas, regleras temperaturverkningsgraden ner genom att rotorns varvtal minskas från cirka 2 till 0,5 varv per minut [23].

Figur 1 – Roterande värmeväxlare principskiss [24].

Tabell 1 – Sammanfattande för- och nackdelar med roterande värmeväxling.

Földelar Nackdelar

+ hög temperatur verkningsgrad. – det finns risk för gaser, fukt och partiklar läker in från frånlutskanalen genom plåtarna.

+ behöver ingen avfrostning. – till- och frånluftskanaler måste dras till samma fläktrum.

+ relativt låg tryckfall. – rörliga delar som motor och fläktar skapar risker för fel.

+ hjälper till med att kyl under sommartid.

2.4 Eleffekt för fläktmotor

Fläktmotor är en mekanisk enhet designad för att driva fläkthjulet som i sin tur åstadkommer luftrörelse. I ventilationssystem används fläktar för att tillföra och bortföra luft från lokalerna. Luft i kanalerna förflyttas på grund av tryckfallet mellan fläktinloppet och utloppet. Eleffekten för en trefas fläktmotor kan beräknas enligt ekvation (2). De värden som används vid eleffektberäkningen kan avläsas på motorns märkskylt.

P = p

(3) · U · I · cosϕ (2)

P = Eleffekt [W]

U = Spänning [V]

I = Ström [A]

cosϕ = Effektfaktor

2.5 SFP-tal

SFP- tal eller specifik fläkteleffekt är ett mått på hur effektiva fläktarna är i ventilationssystemet och anges i enheten [kW/(m

/s)]. Det är en användbar metod för att avgöra och visualisera funktionen av ventilationssystemet. Genom att dividera summan av till- och frånluftfläktarnas eleffekter med största luftflödet i ventilationssystemet erhålls SFP-talet enligt ekvation (3).

SF P = P

+ P

q

(3)

SF P = Specifikt fläkteleffekt [kW/(m

/s)]

P

= Tillförd fläkteleffekt till tilluftsfläkten [kW]

P

= Tillförd fläkteleffekt till frånluftsfläkten [kW]

q

= Största luftflödet av till- och frånluftflödena [m

/s]

Från sambandet kan man se att ett lägre SFP-tal visar på ett ett lägre energibehov för fläktarna. I syftet att spara elenergi och driftkostnader går därför utvecklingen av fläktar och ventilationssystem mot allt lägre SFP-tal. Tabell 2 visar hur SFP-talet ligger till för vanligt förkommande systemtyper.

Tabell 2 – SFP-talet i olika systemtyper.

Systemtyper SFP-tal [kW/m³/s]

Äldre FTX 3-4

Nya FTX 1,5 – 2

Äldre F Ca 2

Nya F 0,5 – 0,7

Nya FVP 0,7

Högre SFP-värden kan vara acceptabla för ventilationssystem med varierande luftflöden. Enligt C.

Bengtsson är detta acceptabelt när luftflöden är mindre än 0,2 m

/s eller för drifttider kortare än 800 timmar per år [25]. SFP-talet påverkas också av det totala tryckfallet i anläggningen.

Högre tryckfall i kanalsystemet ger högre SFP-tal vilket motsvarar högre energianvändning och driftkostnad. För att få ner energianvändningen har Fläktwoods tagit fram en tumregel som visar hur kanaltrycket maximalt bör vara för att få en vis SFP-tal, Tabell 3 [24].

Tabell 3 – SFP-talet vid maximalt kanaltryck.

SFP-Tal [kWh/m³] Max kanaltryck [PA]

1,5 150

2 200

2,5 250

2.6 Operativ temperatur

Det vanligaste sättet att mäta termisk komfort i ett rum är genom att mäta lufttemperaturen. Men rumstemperaturen berättar inte alltid hur en person upplever temperaturen i rummet. Det finns faktorer förutom lufttemperatur och flödet som påverkar hur inneklimatet upplevs inne i rummet.

Hur det termiska inneklimatet upplevs beror också på klädsel, metabolism och värmestrålning från väggar, golv och fönster. För att beskriva inverkan av lufttemperatur och värmestrålning mellan en person och omgivande ytor används begreppet operativ temperatur. I utrymmen där ytor värms eller kyls eller där solstrålning finns kan differensen mellan luft- och strålningstemperatur vara stort. Det är därför nödvändigt att ta hänsyn till strålningstemperaturer vid bedömningen av termisk komfort. Den operativa temperaturen beskriver temperaturupplevelsen eller komforten bättre än bara lufttemperaturen och är därför det temperaturbegreppet som myndigheterna utgår ifrån. BBR har lagt riktlinjer för specifikation av operativ temperatur enligt Tabell 4 [26].

Tabell 4 – Lägsta tillåtna operativ temperatur i en ockuperad zon, enligt BBR [26].

Inneklimatfaktor Operativ temperatur

Normalt 18

C

Känsliga grupper 20

C

För att ta reda på operativ temperatur behövs medelstrålningstemperatur och information om luftens temperatur samt flödet. Medelstrålningstemperatur är ett mått på strålningstemperatur för ytorna som omger en viss punkt, med vilken den utbyter termisk strålning med.

Medelstrålningstemperatur kan enligt EnBe sidan 320 approximeras till ekvation (4) [27].

T

= [T

+ 2, 5 · 10

· v

· (T

+ T

)]

(4)

T

= Medelstrålningstemperatur [

C]

T

= Globtemperatur [

C]

v = Lufthastighet [m/s]

T

= Lufttemperatur [

C]

Globtemperatur mäts vanligen med en globgivare som mäter värmestrålning från omgivande ytor.

Med en globgivare mäts temperatur, luftfuktighet, lufthastighet, solvinkel och solstrålning. M.

Tonouchi et al. har gjort en förstudie och kommit med en grov uppskattad empiriskt härledd formel för T

på arbetsplatsen som endast begär lufttemperatur, lufthastighet och solstrålning enligt ekvation (5) [28].

T

= T

+ 0, 0175 · SR − 0, 208 · v (5)

SR = Solstrålning [W/m

]

Strålningskomponenten som används i ekvation (5) tar hänsyn till solenergins strålningsincidens mot ett horisontellt plan istället för på en sfär, vilket gör ekvationen otillförligt och olämplig.

Den kan dock visa ett grovt uppskattad globtemperatur när globgivare är inte finns. Då yttemperaturerna inte skiljer mer än 10 °C från lufttemperaturen och där lufthastigheter är låga (≥ 0,25 m/s) kan den operativa temperaturen beskrivas ungefärligen som medelvärdet av lufttemperaturen och den genomsnittliga strålningstemperaturen enligt ekvation (6).

T

= T

+ T

2 (6)

T

= Operativa temperatur [

C]

Den ekvivalenta temperaturen är en upplevd temperatur som även tar hänsyn till lufthastigheten.

Den kan beräknas med ekvation(7).

T

= T

− (8 · v

) (7)

T

= Ekvivalent temperatur [

C]

3 Systembeskrivning

I detta avsnitt beskrivs energisystemen som utgör ventilationssystemet och de relevanta byggnadstekniska egenskaperna för kontorsbyggnaden.

3.1 Byggnadens klimatskal

Byggnaden som undersöks i denna rapport har, alltefter byggnadens utseende, Kuben som smeknamn. Kuben är en kontorsbyggnad som befinner sig på Skolgatan 31 och är en del av Stadshusets lokaler där många av Umeå kommuns verksamheter bedrivs. Byggnaden är sammanlänkad med en annan byggnad genom en passage som kallas för Länken. Byggnadens fasad består av 53 % glas och resten betong vilket kan ses i Figur 2. Kuben har fem våningsplan och en källare där ventilationsaggregat är placerad. Byggnadens ventilationssystem består av ett EAHE-system, BHE-system och ett luftbehandlingsaggregat. EAHE- och BHE-system har som funktion att sänka kyl- och värmebelastningen genom att förvärma eller kyla inkommande utomhusluften, beroende på säsong, innan den når fram ventilationsaggregatet. Efter dessa system sitter ett luftbehandlingsaggregat som innefattar en roterande värmeväxlare och ett värmebatteri.

Figur 2 – En bild av kontorsbyggnaden Kuben.

3.2 EAHE (Earth to air heat exchanger)

Byggnadens EAHE system har som funktion att minska kylbelastningen genom att leda luften under marken. Den fungerar kortfattat genom att varm utomhusluft leds in i en rörledning under marken.

När den varma utomhusluften strömmar genom röret överförs värme från luften till marken. Som ett resultat är temperaturen vid utloppet av röret lägre än än den inströmmande utomhusluften.

Processen hjälper till också på vintern med att förvärma inkommande utomhusluften. EAHE systemet delas upp i två komponenter, Obelisken och markkanalen.

3.2.1 Obelisken

Luft strömmar in till byggnaden genom ett cylinderformat luftintag som kallas för Obelisken.

Obelisken sticker upp från marken främst för att skydda inströmmande luften mot dam, vatten och snö. Luftintaget är 3 m högt, 1,2 m i diameter och står just utanför byggnadens västra ingång.

Obelisken innehåller två lager som är gjort av stål, Figur 3. Det yttersta lagret är 5 cm tjockt och anses vara mest för att rengöra luften från stora partiklar då luften strömmar in. På det yttersta lagret finns det flera hål utborrade i olika storlek där hålen är utformade efter Umeå kommunens symbol nämligen löv. Hålen fungerar som ett galler för att förhindra löv, fåglar mm. Det innersta lagret är en vanlig ventilationskanal som leder luften till markkanalen. En givare (GT4F) sitter på slutet av kanalen och mäter lufttemperatur efter Obelisken.

Figur 3 – Cylinderformat luftintag, 1. yttersta lagret 2. innersta lagret 3, källare som ansluter Obelisken med markkanalen.

3.2.2 Markkanalen

Markkanalen börjar just efter Obelisken. Kanalen som är gjort av plastmaterialet PVC energiväxlar luftens temperatur med den konstanta marktemperaturen. Markkanalen ligger 2 m under markytan och sträcker sig ungefär 30 m, Figur 4. Kanalen är lutad ner 3,5 grader för att minska risk för mögeltillväxt. Om det sker kondensation av vatten i kanalen kan vattnet ur luften samlas upp och föras bort. Just efter kanalen sitter en temperaturgivare (GT4E) som mäter temperaturen efter markkanalen. Markkanalen leder sedan luften till borrhålsvärmeväxlaren som sitter i ventilationsrummet.

Figur 4 – Markkanalen som lutar med 3,5 grader och sträcker sig 30 m lång.

3.3 Ventilationsrummet

I ventilationsrummet sitter en borrhålsvärmeväxlare och ett luftbehandlingsaggregat.

Luftbehandlingsaggregatet är av typ Envistar Flex 480 från IV PRODUKT [29]. Aggregatet innefattar en roterande värmeväxlare med en motor, ett värmebatteri och två fläktmotorer.

3.3.1 BHE (Borehole Heat Exchanger)

Borrhålsvärmeväxlaren kyler luften genom att utvinna det termiskenergi djupt ner i marken

med användning av borrhålsbrunn. Borrhålsbrunnen innehåller fem kollektorsslingor. Slingorna

är vertikalt förlagda och når ett djup på 230 m under markenytan. I rören som leds från

borrhålsvärmeväxlaren ner i marken till kollektorsslingor och tillbaka cirkuleras en köldbärarsprit

av typ BIOTHERM från Skoogs Bränsle AB, Figur 5 [30]. Köldbärarspriten är en blandning av

Etanol och vatten som har -30

C som fryspunkt. Etanol brukar användas som en köldbärare för

kyl- och värmepumpsanläggningar [31]. I varje slinga sitter en temperaturgivare (KB1 GT4A-F)

som mäter vätskans temperatur.

Figur 5 – Schematisk bild över borrhålsbrunnen dess viktiga komponenter påpekas.

Flödet av vätskan i borrhålsbrunnen regleras med en pump och en styrventil. Vid behov av kyla körs pumpen på framledningen med ett konstant flöde. Reglering av effekt sker via styrventilen på returledningen. Om temperaturen på tilluften överskrider börvärdet så reglerar styrventilen flödet så att luften kyls ännu mer i borrhålsvärmeväxlaren. Borrhållsbrunnen är försedd med ett slutet expansionskärl som tar till vara på systemets volymförändring. Systemet är också försedd med köldbärarfilter som filtrerar och byter köldbärarvätskan vid behov.

3.3.2 Roterande värmeväxlare

Aggregatet innefattar en roterande värmeväxlare. Roterande värmeväxlaren är, som nämndes i tidigare avsnitt, i princip en stor värmeåtervinningsrotor som överför värme enligt luft-till-luft principen. Den stora rotorn är sammansatt av vågiga lindade plana och korrugerade band av aluminiumfolie och bildar släta passager så att luften kan strömma genom på laminärt sätt. Detta ger lågt tryckfall och minskar risk för samling av damm eller andra föroreningar i luftkanalerna.

Den roterande värmeväxlaren körs inte under sommardriftsfall då den inte behövs.

3.3.3 Fläkt

På till- och frånluftskanaler sitter fläktar som drivs av elmotorer och styr luftens flöde i luftbehandlingsaggregatet. Fläktarna är av samma typ och är tillverkade av Danfoss se Tabell 5.

Tabellen visar de viktiga uppgifter som är angivna på märkskylten. Fläktarna styrs av byggnadens

styr- och övervakningssystem.

Tabell 5 – Märkdata för fläktmotorer.

Typ Märkeffekt [kW] Märksänning [V] Märkström [A]

WF-DA112MT 4 400 8,4

-IE2

8,4 1440 86,5

3.3.4 Värmebatteri

Värmebatteriet är inbyggt i luftbehandlingsaggregatet och fungerar som eftervärmare. Luften genom tilluftskanalen värmeväxlas med varmvatten från fjärrvärmesystemet, se Figur 6. Värmebatteriet körs inte heller under sommardriftfall då den behövs.

Figur 6 – Enkelt skiss av värmebatteriet.

3.4 Styr och övervakningssystem

Grundtanken med styr- och övervakningssystemet i byggnaden är att ventilationen bara ska köras när det verkligen behövs. Ventilationssystemets drift kommer att behandlas endast under sommarsäsongen eftersom arbetet studerar sommarfallet. Ventilationsystemet körs under kontorstider 05:00 till 17:00 vid sommardriftsfall. Resten av tiden och under helger stängs systemet av helt, där samtliga tilluftsdon öppnas fullt efter avstängningen. Ventilationsfläktarna körs på fullt fart vid uppstart för att överkomma tryckförluster i kanalerna, andra tider körs fläktarna under 50 %. Ventilationen körs även under nattetid för att minimera kylbehovet av byggnaden.

Under sommarnätter är utetemperaturen oftast tillräckligt låg för att förhandskyla byggnaden.

Utetemperaturen jämförs med innetemperaturen för att avgöra om nattkyla är aktuellt att köra efter. Om utetemperaturen ligger under 18 °C konstant i minst en timme under drift tillåts nattkyla att arbeta. Dessutom måste utetemperaturen vara minst 3 °C lägre än innetemperaturen för att nattkyla ska tillåtas arbeta. Vid nattkylning körs fläktarna på max där flera tilluftsdon öppnas fullt. Ventilationssystemet använder sig av två styr och övervakningsprogram, TAC-Vista och LINDINVENT. TAC-Vista styr och övervakar över ventilationsaggregatet och LINDINSPECT styr och övervakar inneklimatet med ett smart tilluftsdon i samtliga kontorsrum.

3.4.1 TAC Vista

TAC Vista är en omfattande mjukvara som vanligtvis används för att styra och övervaka ett

byggnadssystem [32]. Mjukvaran kan öppnas med vanliga webbläsare och möjliggör användaren att

navigera på sin webbplats, visualisera grafik- och trenddiagram samt hantera larm. Umeå kommun

använder denna mjukvara i flera fastigheter för att kontrollera, styra och analysera den dagliga

driften av fastigheternas luftbehandlingsaggregat. Detta görs med hjälp av trådlösa nätverk av

sensorer som mäter temperatur, flöde och tryck. Mjukvaran ger åtkomst till periodiska rapporter

så väl som larm och historiska loggar. En schematisk bild över ventilationssystemet och dess givare

visas i Figur 7.

3.4.2 LINDINSPECT

LINDINSPECT är ett dataverktyg utvecklad av LINDINVENT för driftsorganisationer som vill följa fastighetens energieffektivitet. Programvaran visualiserar, analyserar och driftsoptimerar fastigheten genom att enkelt följa upp inneklimatet. Mjukvaran är helt webbaserad och nyttjar html och JAVA-script [33].

Tilluftsdonen i kontorsbyggnaden är av typ VTD-125 och styrs av LINDINVENT med dataverktyget LINDINSPECT. Programmet används för att övervaka klimatsituationen i fastighetens samtliga rum, där man har tillgång till en mängd nyckeldata och funktioner. Donet är utrustade med givare som mäter tilluftsflöde, temperatur, koldioxidhalt, närvaro samt IR-länk för kommunikation med dator och nätverkskommunikation. Donet är också utrustad med styrelektronik som har möjlighet att reglera med hänsyn till aktuellt krav i rummet.

Rumslayouten i fastigheten kan visas i flera planvyer på programvaran. Detta gör att man kan orientera sig och övervaka klimatet på ett helt våningsplan, Figur 8. Ur planvyn för det valda våningsplanet, i vårt fall plan 4, kan data tas fram via nodskyltar som visar var styrutrustning och givare är placerade. Via nodskylten kan fönster aktiveras för presentation och inmatning av värden från den enskilda noden.

Figur 8 – Planvy av plan 4 med nodskylt öppnat för ett kontorrum.

Driftsdata loggas och presenteras direkt i grafer och diagram som användaren själv kan anpassa,

Figur 9. Datum och tid kan filtreras till det intervall man vill, vilket presenteras grafiskt. Grafen

visualiserar viktiga parametrar som rumstemperatur, tilluftsflöde, kyleffekt och närvaro för ett

specifikt don i byggnaden. Detta kan göras för varje plan så väl som rum i byggnaden.

Figur 9 – Mätdata presenterad i grafer beroende på tidsintervall som väljs.

4 Metod

I detta avsnitt presenteras och motiveras det arbetssätt som använts under studien. Dessutom redovisas tillvägagångssätt av konstruktion av Obelisken i simuleringsverktyget COMSOL.

4.1 Litteraturstudie

En litteraturstudie genomfördes för att få bredare förståelse för forskningsfältet kring uppgiften och för att få en förståelse av tidigare kunskap som ligger till grund för teori- och metod delen.

4.2 Mätdata insamling

Mätdata insamlades från styr och övervakningsprogram TAC-Vista och LININSPECT. All mätdata som insamlades var för sommarperioden, alltså månader mellan Maj och Augusti.

4.2.1 TAC-Vista

Givarna som är utspridda över luftbehandlingsaggregatet mäter momentanvärden på timbasis och behandlas av programvaran TAC-Vista. Mätdata från TAC-Vista sparas vanligen på servern i två veckor innan de raderas bort. Detta är för att drifttekniker inte har behov av långtidsloggar.

De är huvudsakligen intresserade av hur systemet drivs vid tillfället. Men nu har driftteknikerna börjat spara långtidsloggar på servern för vissa viktiga mätpunkter som presenteras i tabeller. De mätpunkter i luftbehandlingsaggregatet som mätte temperaturer i enhet [

C] presenteras i Tabell 6.

Tabell 6 – Temperaturmätpunkter i luftbehandlingsaggregatet.

Givare Placering Beteckning

T

Utetemperatur VS1_GT1A

T

Efter obelisken VA1_GT4F

T

Efter markkanalen VA1_GT4A

T

Efter borrhålsbrunn VA1_GT4D

T

Efter värmeväxlaren VA1_GT4E

T

Tilluft VA1_GT1

T

Frånluft VA1_GT4B

T

Bortförd luft VA1_GT4C

Temperaturgivaren efter värmeväxlaren kommer inte att behandlas då den är placerad konstigt och visar orimliga värden. Eftersom undersökningen görs under sommarsäsongen så kommer temperatur efter värmeväxlaren och efter värmebatteriet antas vara samma. Detta är för att värmebatteriet anses vara helt avstängd under perioden. Det fanns också långtidsloggar för flödet och tryck på tillufts- och frånluftskanalen enligt Tabell 7 och Tabell 8.

Tabell 7 – Placering och beteckning av flödesgivare.

Givare Placering Beteckning

q

Tilluftskanalen efter värmeväxlaren VA1_GF4A

q

Frånluftskanalen efter värmeväxlaren VA1_GF4B

Tabell 8 – Placering och beteckning av trycksgivare.

Givare Placering Beteckning

P

Tilluftskanalen efter värmebatteriet VA1_GP1A

P

Frånluftskanalen VA1_GP1B

4.2.2 LININSPECT

Tilluftsdonen som sitter i samtliga rum mäter viktiga parametrar om rummets inneklimat och

sparar mätdata på mjukvaran LININSPECT, Tabell 9. Driftsdata som mäts momentant var 10:e

minut loggas och kan direkt presenteras i grafer och diagram som användaren själv kan anpassa

efter önskad tidsperiod.

Tabell 9 – Storheter som mäts av tilluftsdon.

Givar beteckning Typ av givare Enhet

T

Rumstemperatur [

C]

T

Kanaltemperatur [

C]

q

Tilluftsflödet [l/s]

P

Tryck [Pa]

Q

Kyleffekt [W]

N Närvaro

T

Komfortavvikelse [

C]

Driftsdata från LININSPECT som loggas för varje plan så väl som rum i byggnaden laddades ned som en Excelfil för vidare analysering. Eftersom att det finns ca 118 tilluftsdon utplacerade i byggnaden så valdes ett don för varje väderstreck på samma våningsplan som stickprov av hela byggnadens inneklimatet, enligt Tabell 10.

Tabell 10 – Don från varje väderstreck med beteckning.

Givare Placering Beteckning

Norr Kontor B18-Plan 6-18615

Söder Landskap B18-Plan 6-18612

Väst Konferens B18-Plan 6-18606

Öst Reserv 2 B18-Plan 6-18604

4.3 Mätdata filtrering

All mätdata som laddats ned kan öppnas i Excel. Programvaran Excel är ett kalkylblad utvecklad

av Microsoft för att göra beräkningar och bygga tabeller, grafer samt diagram [34]. Filtrering

av dessa mätdata skedde också med Excel. Med filtrering menas att räkna bort helger och då

ventilationen står stilla. Arbetstider filtreras enkelt genom verktygen filter som kan hittas på Excel

toolbar högst upp, se Figur 10. Därtill används WEEKDAY, en inbyggd funktion, för att filtrera

bort helger. WEEKDAY tar in ett datum och returnerar ett nummer mellan 1–7 beroende på

veckodag. Som standard returneras lördag som 7 och söndag som 1. Mätdata filtreras då så att nummer 2–6 visas (måndag- fredag).

Figur 10 – Filtrering av helger med funktionen WEEKDAY och arbetstid med elementet Filter i Microsoft Excel.

4.4 Mätdata plottning

Samtliga grafer och diagram plottades i MATLAB. MATLAB är en programmeringsplattform

utvecklad specifikt för ingenjörer för att analysera data, utveckla algoritmer och skapa

modeller samt applikationer [35]. Data som sorterades av Excel importeras i MATLAB

och plottas i ett 2D-diagram. För vissa grafer hittades ett linjärt samband med hjälp

av inbyggd funktionen fitlm vilket visas i modelldisplayen. Modelldisplayen innehåller även

sambandet för linjäranpassningen, uppskattade konfidensintervall, uppskattad standardavvikelse

och modellöversiktstatistik. För polynomregression användes inbyggda funktioner polyfit och polyval

istället. Kurvanpassningsfunktion fit användes därtill för att få finare kurvor istället för vinklade

linjer.

4.5 Kyleffekt beräkning

Den mängd energi som krävs för att sänka lufttemperaturen genom varje system beräknades med hjälp av härleda ekvationer från ekvation (1). Specifika värmekapaciteten C

och densiteten ρ från ekvationen antas vara konstanta, nämligen 1 kJ/(kg

C) respektive 1,25 kg/m

. Även flödet på tilluftskanalen q

antas vara konstant, alltså inga flödesförluster i kanalen. Det som varieras från ekvationen är temperaturskillnaden. Kyleffekter för luften som strömmar i Obelisken kan då bestämdes genom att utnyttja givarna T

och T

från Tabell 6 enligt ekvation (8).

Q ˙

= ρ · q

· C

· (T

− T

) (8)

Markkanalens kyleffekter som sänkte temperaturen från T

till T

uttrycks enligt ekvation (9).

Q ˙

= ρ · q

· C

· (T

− T

) (9)

Kyleffekter för luften som därefter kyls av borhållsbrunnen beskrivs med ekvation (10). Ekvationen uppvisar energiutvinning från borrhålsbrunnen med data från temperaturgivarna T

och T

från Tabell 6.

Q ˙

= ρ · q

· C

· (T

− T

) (10)

Eftersom temperaturgivaren efter roterande värmeväxlaren T

var otillförlitlig så användes temperaturgivaren efter värmebatteriet T

istället för beräkning av kyleffekter för roterande värmeväxlaren + värmebatteriet, se ekvation (11).

Q ˙

= ρ · q

· C

· (T

− T

) (11)

Givare T

, T

och T

togs till vara för att beräkna roterande värmeväxlarens temperaturverkningsgrad enligt ekvation (12).

η = T

− T

T

− T

(12)

4.6 Simulerig och optimering av Obelisken

COMSOL Multiphysics är ett kommersiellt mjukvarupaket som är designat för att hantera ett stort antal fysiska fenomen [36]. Programvaran är ett simuleringsprogram för tillämpningar och design med verkliga applikationer i åtanke. En 2D-modell av luftintaget skapades i COMSOL för att dels se hur temperatur fördelas över rörets mantelyta och dels se hur lufttemperaturen påverkas av utetemperaturen i luftintaget, Figur 11. Poängen med modellbyggandet var att efterlikna Obelisken enligt Figur 3, alltså att komma så nära verkligheten som möjligt genom att ha rätt mått, materialtyp och förutsättningar. Samtliga mått uthämtades från avsnitt 4.2.1.

Figur 11 – 2D-modell av luftintaget i COMSOL.

Fysikmotorerna Heat transfer in solid och nonisothermal pipe flow användes i Comsol för att simulera värmeväxling mellan uteluft och luftintaget samt för att simulera luftens väg genom luftintaget. Programmets polygonverktyg användes för att simulera hur luften flödar i Obelisken.

Luftflödet genom luftintaget antas vara konstant 3,5 m/s utan någon förlust. Solen antas skina

rakt på obelisken med strålning 800 W/m

utan att bli påverkad av vind. Omgivande temperatur

antas under dagtid vara konstant 28

C och materialen sattes initialt till 30

C. Dessa höga

temperaturer valdes för att testa värsta fall. Modellen simulerades sedan för 24 timmar med samma

förutsättningar. Först simulerades stål för att få en bild över hur det är i dagsläget, sedan byttes

materialet till tegel, PEX eller trä i syfte att se om det sker en förändring. Materialegenskaper för

dessa material hämtades från programmets inbyggda data.

5 Resultat

Här presenteras resultat i form av figurer och tabeller. Resultat omfattar kyleffekter så väl som temperatursamband för obelisken, makrkanalen, borrhålsbeunnen och roterande värmeväxlaren.

Resultatet innefattar även totala energin som gick åt byggnaden, SFP-värdet, operativa temperatur samt simulering och optimering av Obelisken.

5.1 Kyleffekter

Samtliga effekter beräknades med hjälp av härledda ekvationer i avsnitt 4.5. Beräknade kyleffekter i enheten [kW] filtrerades först i Excel och plottades sedan i MATLAB, vilket resulterades i kommande figurer.

5.1.1 Obeliken

Obeliskens kyleffekter plottad mot temperaturskillnad mellan utetemperatur och temperatur efter Obelisken presenteras i Figur 12. Dessa kyleffekter beräknades med användning av ekvation (8). I Figuren kan det ses att Obelisken kylde luften som mest med 20 kW då temperaturskillnaden låg på 5

C.

Figur 12 – Kyleffektändring i Obelisken i förhållande till temperaturskillnaden.

5.1.2 Markkanalen

Markkanalens kyleffekter som beräknades med ekvation (9) vid aktuell temperaturskillnad plottades i Figur 13. Det högsta kyleffekt var 6,75 kW med temperaturskillnad av 1,73

C.

Markkanalen sänkte temperaturen på den inkommande luften med 2

C som mest.

Figur 13 – Markkanalens kyleffekter vid aktuell temperaturskillnad.

5.1.3 Borrhålsbrunnen

Figur 14 visar temperaturskillnad plottad mot kyleffekter för borrhålsbrunnen som beräknades

med ekvation (10). Borrhålsbrunnen gav som högst en temperaturminskning av luften på 3,74

C,

vilket motsvarar en kyleffekt på 16,74 kW. Vid drift av borrhålsbrunnen jobbar värmeväxlaren

mest mellan temperatursänkning av 1,5

C och 3

C.

Figur 14 – Kyleffekter för borrhålsbrunnen i förhållande till temperaturskillnaden.

Temperaturändring av vätskan som cirkuleras i borrhålsbrunnen visas i Figur 15. Vätskans medeltemperatur låg på ca 8,2

C under perioden, vilket visas med den röda prickade linjen.

Figur 15 – Vätskans temperaturändring i kollektorslingorna under perioden.

5.1.4 VVX + Värmebatteriet

Kyleffekter för VVX med värmebatteriet plottad mot temperaturskillnaden mellan temperatur efter borrhålsbrunnen och temperatur efter värmebatteriet visas i Figur 16. Dessa kyleffekter beräknades med användning av ekvation (11). Eftersom anläggningarna, roterande värmeväxlaren och värmebatteriet, stängs helt av under sommarperioden så finns det nästan ingen inverkan på luften från anläggningarna. Luften kyls som mest med 1

C, under perioden vilket motsvarar 4 kW.

Figur 16 – Kyleffekter för VVX med värmebateeri vi aktuell temperaturskillnad.

Den roterande värmeväxlarens verkningsgrad beräknades med användning av ekvation (12) och plottades mot respektive temperaturskillnad på tilluftskanalen enligt Figur 16. Verkningsgraden går mot ständigt 0,8 då temperaturen ökar men avtar successivt då temperaturen minskar, vilket visar återigen att anläggningarna inte har något betydande inverkan på luften under sommaren.

Temperatursänkningen går till -1

C allt eftersom roterande värmeväxlaren anses kyla luften lite

grann (1

C) enligt Figur 17.

Figur 17 – VVX verkningsgrad i förhållande till temperaturskilnnad.

5.2 Samband mellan temperaturer

Samband mellan temperaturer för de olika systemen togs fram för att beskriva hur den utgående lufttemperaturen varierar med avseende på den inkommande lufttemperaturen för varje del i systemet.

5.2.1 Linjärregression

Luftens temperaturminskning genom Obelisken, markkanalen och borrhålsbrunnen kunde beskrivas med en rät linje under sommarperioden. Konfidensintervall och standardavvikelse för respektive räta linjen togs fram för att beskriva hur spridda mätdata är, och se hur mycket de olika värdena avviker från den räta linjen. Kylning av den inkommande uteluften i Obelisken visas i Figur 18.

Figuren visar linjärregression av mätdatat, där sambandet har ett konfidensintervall av 0,907 och standardavvikelse av 1,55.

Figur 18 – Linjärsamband mellan temperaturen före och efter Obelisken.

Figur 19 visar linjärsamband mellan temperatur före och efter markkanalen. Sambandet ger en

rätlinje med konfidensintervall av 0,981 och standardavvikelse av 0,634.

Figur 19 – Linjärsamband mellan temperaturen före och efter markkanalen.

Temperaturen före borrhålsbrunnen förhåller sig också linjärt med temperaturen efter borrhålsbrunnen enligt Figur 20. Linjärsambandet har en konfidensintervall av 0,956 och standardavvikelse av 0,786.

Figur 20 – Linjärsamband mellan temperaturen före och efter borrhålsbrunnen.

5.2.2 Polynomregression

Eftersom mätdata från VVX och värmebatteriet inte kunde beskrivas med ett linjärsamband så användes ett polynomsamband istället för att beskriva sambandet mellan temperaturer innan roterande värmeväxlare och efter värmebatteriet, enligt Figur 21.

Figur 21 – Polynomsamband mellan temperatur efter borrhålsbrunnen och temperatur efter värmebatteriet.

5.3 Förutsägelse av temperaturändring genom varje system

Den högsta rapporterade utetemperaturen under sommaren enligt SMHIs klimatdata var 30

C för det aktuella år [37]. Figur 22 visar hur utetemperaturen ändrades under perioden relativt tilluftstemperaturen. Temperaturändringen genom varje del av kylsystemet togs fram sedan med användning av erhållna linjärregressionsformel enligt Figur 23, genom att ändra utetemperaturen från 0 till 30

C. Polynomsambandet för VVX och värmebatteriet räknas bort i det här fallet eftersom anläggningarna inte har någon större inverkan på luften.

Figur 22 – Utetemperatur (blå) och tilluftstemperatur (orange) under perioden.

I Figur 23 kan man se att borrhålsbrunnen bidrar mer till kylsystemet än de andra kylsystemen,

eftersom den ger en större temperaturminskning. Borrhålsbrunnen kan kyla inkommande luft upp

till 4

C och börjar dessutom att kyla luften då utetemperaturen är mer än 7

C. Man kan också

observera att markkanalen börjar kyla då utetemperaturen är mer än 18

C.

Figur 23 – Temperaturminskning efter varje kylssytem beroende på utetemperatur.

Figur 24 visar vad tilluftstemperaturen blir då utetemperaturen varierar från 0 till 30

C. Här

användes polynomsambandet för att se hur den ingående lufttempetaturen i tilluftskanalen varierar

beroende på utetemperaturen under perioden.

5.4 Underlag för att visualisera ventilationssystemets kylsystem

För att visualiserar ventilationssystemet under sommaren byggdes ett användarvänligt verktyg i Microsoft Excel som framställdes med hjälp av de samtliga sambanden, Figur 25. Användaren kan i verktyget sätta vilken utetemperatur som helst mellan -2 och 30

C i den markerade rutan.

Verktyget underlättar utvärderingen av ventilationssystemet genom att visa hur temperaturen ändras genom varje del i systemet. I verktyget informeras om vilka temperaturgivare som utnyttjas för att ta fram samtliga linjärsamband.

Figur 25 – Underlag som byggdes i Excel.

Figur 26 visar hur temperaturerna skulle ligga efter varje del i system med varierande utetemperatur om underlaget skulle nyttjas. Det totala energibehovet för ventilationssystemet under perioden beskrivs av ytan mellan utetemperaturen och tillufttemperaturen. Ytan mellan borrhålsbrunnen och utetemperatur är gratisenergin från Obelisken, markkanalen och borrhålsbrunnen.

Figur 26 – Temperatur efter varje system relativt utetemperaturen.

5.5 Byggnadens totala energibehov

Figur 27 visar de sammanställda effekterna för de olika systemen som ingår i ventilationssystemet.

Om effekter i figuren hamnar under 0 kW så betyder det att det inkommande luften värms upp av och med effekter över 0 kW menas att luften kyls.

Figur 27 – Kyleffekt i ventilationssystemets olika delar.

Den totala energi som krävdes för att kyla och värma kontorsbyggnaden presenteras i Tabell 11.

Under perioden Maj, Juni, Juli och Augusti så gick det ca 8562 kW, alltså 52 % av den totala energin för kylning, och ca 7754 kW för uppvärming av byggnaden. Omkring 73% av det som gick till uppvärming användes under maj månad.

Tabell 11 – Effekt efter varje system.

System Q(Kyla) [kW] Q(värma) [kW]

Obelisken 3438 352

Markkanalen 693 796

Borhållsbrunn 4041 152

VVX+värmebatteriet 389 6782

5.6 SFP

Figur 28 visar SFP-värdet för fastighetens ventilationsaggregat vid respektive flöde som beräknades med användning av ekvation (3). Den specifika fläkteffekten för ventilationsaggregatet under perioden låg på 2 vid maxflödet av 4500 [l/s], vilket visas med den röda cirkeln i figuren.

Figur 28 – SFP-värde vid olika flöden, där den röda cirkeln visar hur eleffektivt ventilationsaggregat är i dagsläget.

5.7 Nattkyla

Figur 29 visar när nattkyla var i igång under perioden. Ventilationssystemet kördes mest under månaderna juli och augusti. Nattkylan kördes vanligen 3 timmar och då temperaturen var mellan 12 och 18

C samt när det fanns en temperaturskillnad av 3

C mellan inne- och utetemperatur.

Figur 29 – Funktion av nattkyla under perioden.

5.8 Operativ temperatur

Figur 30 visar grovt uppskattade operativa- och ekvivalenta temperatur för kontorsbyggnaden som personalen antas uppleva. Operativa temperaturen beräknades med ekvation (6) och ekvivalenta temperatur med ekvation (7). I figuren kan det ses att den operativa temperaturen överskrider högsta tillåtna temperaturen några gånger men ligger bra till när det gäller lägsta möjliga tillåtna temperatur enligt Tabell 4.

Figur 30 – Byggnadens operativa- och ekvivalenta temperatur.

När utom- och inomhustemperatur samt medelstrålningstemperatur betraktas i Figur 30 erhålls Figur 31. Medelstrålningstemperaturen beräknades med ekvation (4) och visar hur personalen påverkas av strålningstemperaturer från väggarna.

Figur 31 – Kontorsbyggnadens inneklimat.

5.9 Simulering och optimering av Obelisken

Figur 32 illustrerar temperaturfördelningen vid simulering av Obelisken i COMSOL med olika materialtyper. Simuleringen visar på att när Obelisken är gjord av stål så värms den upp kraftfullt uppifrån då solen är rakt på för 8 timmar och leder till ojämn temperaturfördelning genom ytan.

När materialet istället byts till tegel, trä (tall) och PEX blir temperaturfördelningen jämnare.

Figur 32 – Simulering av luftintaget för de olika materialtyper.

Stålets ojämna temperaturfördelning leder till att den inströmmande lufttemperaturen påverkas.

Detta kan illustreras i Figur 33 som visar hur lufttemperatur och yttemperatur ändras över

tiden. Simuleringen visar att efter 5 timmar av sol rakt på Obelisken gjord av stål så höjs den

inströmmande luftens temperatur med ca 2

C.

Figur 33 – Ändring av luft- och yttemperatur med Obelisken gjord av stål och med solen rakt på.

När Obeliskens material ändrades till tegel och simulerades så erhålls Figur 34, vilket visar hur lufttemperaturen och yttemperaturen ändrades över tiden. Här påverkas luftens temperatur knappt i Obelisken då lufttemperaturen förblir 30

C efter 5 timmar av sol rakt på.

Figur 34 – Ändring av luft- och yttemperatur över tiden när Obelisken simulerades att vara gjord av tegel och med solen rakt på den.

Obeliskens material ändrades sedan till PEX och simulerades, vilket gav Figur 35 som visar hur

lufttemperatur och yttemperatur ändras över tiden. Här förblir återigen luftens temperatur samma

som utomhustemperaturen.

Figur 35 – Ändring av luft- och yttemperatur när Obelisken simulerades att vara gjord av PEX med solen rakt på den.

Materialet i Obelisken byts återigen till en typ av trä nämligen tall och simulerades till Figur 36, vilket gav ändring av lufttemperatur och yttemperatur över tiden. Lufttemperaturen påverkas knappt av yttemperaturen då Obelisken är gjort av trä.

Figur 36 – Ändring av luft- och yttemperatur när Obelisken simulerades att vara gjord av trä med