Termisk komfort vid användning av lågsystemtemperatur och högtemperaturkyla

Master of Science Thesis

KTH School of Industrial Engineering and Management Energy Technology TRITA-ITM-EX 2018:493 Division of Applied Thermodynamics and Refrigeration

SE-100 44 STOCKHOLM

Termisk komfort vid användning av låg systemtemperatur och

högtemperaturkyla

Marcus Eliasson

Johan Tufvesson

Termisk komfort vid användning av låg systemtemperatur och högtemperaturkyla

Marcus Eliasson Johan Tufvesson

Approved

June 12 2018

Examiner

Viktoria Martin

Supervisor

Viktoria Martin

Commissioner Contact person

Abstract

Energy use in buildings accounts for a large part of the world's energy demand and has an important

impact on the future's sustainable energy system. Geo-energy and district heating and district cooling

systems have become an increasingly common method for heating and cooling buildings around the

world. In order to effectively heat or cool a building, it is crucial that the supply temperature and room

temperature are close to each other in order to reduce energy losses and energy use. To achieve this, the

room units must be able to maintain thermal comfort in buildings when using these temperatures. In this

thesis, a literature study has been conducted to identify and compile which room units are used in

buildings. A model has been built in IDA ICE to simulate and evaluate thermal comfort when using the

room units found in the literature study. The purpose of this thesis is to provide an overall picture of

which hydronic room units are available for buildings and to evaluate the room units with regard to

thermal comfort when using supply temperatures close to room temperature. The main results indicate

that room units with high proportion of radiation and capacity with scaling ability provide the best

thermal comfort. Furthermore, the results show that it is possible to maintain thermal comfort in a

modern office building with most of the room units when using supply temperatures close to room

temperature. Finally, the result shows that the need of cooling, in a modern office building located in

Stockholm, can be covered with all room units using high temperature cooling.

Sammanfattning

Energianvändningen i byggnader står för en stor del av världens energikonsumtion och har en viktig inverkan på framtidens hållbara energisystem. Geoenergi och fjärrvärme och fjärrkyla har blivit en allt mer vanlig metod för att värma och kyla byggnader runt om i världen. För att effektivt kunna värma eller kyla en byggnad är det avgörande att framledningstemperaturen och rumstemperaturen ligger nära varandra för att minska energiförlusterna och energianvändningen. För att uppnå detta krävs det att slutapparaterna klarar av att upprätthålla termisk komfort i byggnader vid användning av dessa temperaturer. I arbetet har en litteraturstudie utförts för att identifiera och sammanställa vilka slutapparater som används i byggnader.

En modell har sedan byggts upp i IDA ICE för att simulera och utvärdera termisk komfort vid

användning av de slutapparater som funnits i litteraturstudien. Arbetet har som mål att ge en övergripande

bild av vilka hydroniska slutapparater som finns tillgängliga för byggnader samt att utvärdera

slutapparaterna med avseende på termisk komfort vid användning av framledningstemperaturer som ligger

nära rumstemperaturen. De främsta resultaten indikerar att slutapparater med hög andel strålning och

kapacitet med möjlighet till uppskalning ger bäst termisk komfort. Fortsättningsvis visar resultaten att det

är möjligt att upprätthålla termisk komfort i en modern kontorsbyggnad med de flesta slutapparater vid

användning av framledningstemperaturer som ligger nära rumstemperaturen. Slutligen visar resultatet att

kylbehovet, i en modern kontorsbyggnad placerad i Stockholm, går att täcka med samtliga slutapparater

vid användning av högtemperaturkyla.

Innehållsförteckning

1. Inledning och problemformulering ... 1

1.1. Mål och syfte ... 1

2. Bakgrund ... 2

2.1. Energianvändning i byggnader ... 2

2.2. Termiskt klimat och komfort ... 4

2.3. Fjärrvärme, geoenergi och systemtemperaturens utveckling ... 6

3. Litteraturstudie ... 9

3.1. Golvvärme och -kyla ... 9

3.2. Väggvärme och -kyla ... 11

3.3. Takvärme och -kyla ... 12

3.4. Radiatorer ... 12

3.5. Värmelister ... 15

3.6. Kyl- och värmebafflar ... 16

3.7. Fläktkonvektor ... 18

3.8. Sammanställning och jämförelse av slutapparater ... 19

4. Metod ... 21

4.1. Simuleringsverktyg ... 22

4.2. Avgränsningar och antaganden ... 22

4.3. Simuleringsmodell... 24

4.3.1. Simulering av värme- och kylbehov ... 31

4.4. Simulerade slutapparater ... 31

4.5. Indata och installation av slutapparater ... 36

4.5.1. Panelradiator ... 36

4.5.2. Fläktförstärkt panelradiator ... 37

4.5.3. Värmelist ... 37

4.5.4. Golvvärme ... 37

4.5.5. Väggvärme och -kyla ... 38

4.5.6. Takvärme och -kyla ... 38

4.5.7. Passiv kylbaffel ... 38

4.5.8. Aktiv kyl- och värmebaffel ... 39

4.5.9. Fläktkonvektor ... 39

5. Resultat ... 39

5.1. Panelradiator ... 41

5.2. Fläktförstärkt panelradiator ... 44

5.3. Värmelist ... 46

5.4. Golvvärme ... 48

5.5. Väggvärme- och kyla ... 51

5.6. Takvärme- och kyla ... 55

5.7. Passiv kylbaffel ... 59

5.8. Aktiv kyl- och värmebaffel ... 61

5.9. Fläktkonvektor (värme och kyla)... 65

6. Diskussion ... 68

7. Slutsats och framtida arbeten ... 71

Litteraturförteckning ... 73

Bilaga 1 ... I

Bilaga 2 ... XIV

Bilaga 3 ... XV

-1-

1. Inledning och problemformulering

Runt om i världen sker en urbanisering samtidigt som befolkningsmängden ökar. Städerna växer och ställer krav på att allt fler byggnader finns tillgängliga för människor att arbeta och leva i.

Energianvändningen i byggnader står för drygt en tredjedel av världens energikonsumtion och har en viktig roll i omställningen till ett hållbart samhälle. Det är därför viktigt att byggnader använder energi från hållbara källor samtidigt som de är energieffektiva.

Geoenergisystem har blivit alltmer vanligt i takt med omställningen mot hållbar energiteknik och många använder idag geoenergisystem för att värma och kyla sina byggnader. En avgörande faktor för att effektivt värma eller kyla en byggnad med geoenergi är att framledningstemperaturen och rumstemperaturen ligger nära varandra för att minska energiförlusterna och energianvändningen. För låg systemtemperatur och högtemperaturkyla innebär det att slutapparaterna måste anpassas för att effektivt kunna förse byggnader med värme och kyla. Med systemtemperatur menas vattnets framlednings- och returtemperatur och med slutapparat menas en rumsenhet vars syfte och funktion är att värma eller kyla rum i byggnader. I praktiken betyder det att slutapparaten ska kunna hantera en låg framledningstemperatur för värme och en hög framledningstemperatur för kyla utan att inomhusklimatet i byggnaden försämras. Med energisystem som arbetar med låg systemtemperatur och högtemperaturkyla blir det därför viktigt att hitta slutapparater som är anpassade för detta ändamål för att uppnå energieffektivitet och ett gott inomhusklimat. Det här examensarbetet syftar till att utreda vilka slutapparater som existerar samt undersöka vilken termisk komfort som uppnås för olika slutapparater vid användning av låg systemtemperatur och högtemperaturkyla för en kontorsbyggnad.

Det här examensarbetet utförs som en del av ett större forskningsprojekt i samarbete med Tyréns.

Forskningsprojektet har som syfte att skapa en hållbar drift och förvaltning av byggnader med energisystem som minimerar temperaturlyftet mellan geoenergilagret och temperaturen i byggnader.

1.1. Mål och syfte

Arbetet har dels som mål att ge en övergripande bild av vilka hydroniska ¹ slutapparater som finns tillgängliga för byggnader. Samt att utvärdera slutapparaterna i en kontorsbyggnad för att undersöka hur väl de olika slutapparaterna presterar med avseende på termisk komfort för låg systemtemperatur och högtemperaturkyla. Delmålen med det här arbetet är:

• Identifiering av hydroniska slutapparater som används i byggnader

• Sammanställning av identifierade slutapparater

• Utvärdera termisk komfort för slutapparaterna med IDA ICE 4.8 i en kontorsbyggnad

1 Hydroniska slutapparater innebär slutapparater som använder vatten som värmeöverförande medium.

-2-

2. Bakgrund

Den fjärde november 2016 enades världens länder om att jordens medeltemperaturökning ska hållas under 2 grader Celsius jämfört med medeltemperaturen innan industrialiseringen [1]. I oktober 2014 enades EU om att år 2030 minska sina växthusgasutsläpp med minst 40 procent jämfört med 1990 års nivåer. De enades även om att öka andelen energi från förnyelsebara energikällor inom EU till 27 procent och att minska energiförbrukningen med 27 procent [2]. I Sverige finns dessutom en vision om att år 2050 inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser [3].

2.1. Energianvändning i byggnader

I Sverige står byggnader och lokaler för en stor andel av den totala energianvändningen och år 2016 användes totalt sett 80,5 TWh energi för uppvärmning och varmvatten i småhus, flerbostadshus och lokaler. Ungefär 40 procent av energianvändningen för uppvärmning och varmvatten användes i småhus, ungefär 33 procent i flerbostadshus och resterande 27 procent användes i lokaler under år 2016 [4]. Under de senaste åren har energianvändningen för uppvärmning av bostäder och lokaler förändrats med avseende på mängd och vilken typ av energikälla som använts. Energianvändningen för uppvärmning och varmvatten har en trend där mängden energi per kvadratmeter fortsätter att minska på grund av bland annat bättre isolering och ökad användning av effektivare värmekällor [5]. Energianvändningen per kvadratmeter och år går att se i Figur 1.

Figur 1. Temperaturkorrigerad energianvändning i bostäder och lokaler i Sverige för uppvärmning och varmvatten mätt i kWh per kvadratmeter år 1995-2013 [5].

Bland de olika energikällor som används för uppvärmning har olja blivit alltmer ovanligt i takt med att

bättre värmekällor tillkommit på marknaden medan elanvändningen har legat relativt stabil de senaste

åren. Däremot har användningen av fjärrvärmen ökat kontinuerligt sedan år 1990 vilket går att se i Figur

2.

-3-

Figur 2. Energianvändning i bostäder och lokaler i Sverige år 1990-2016 [6].

Växthusgasutsläppen från uppvärmning av bostäder och lokaler har minskat från 9,5 miljoner ton koldioxidekvivalenter till 1,2 miljoner ton sedan år 1990. Framförallt har bostäder kraftigt minskat sina utsläpp i förhållande till kommersiella och offentliga lokaler vilket går att se i Figur 3 [7].

Figur 3. Utsläpp av växthusgaser från uppvärmning av bland annat bostäder och lokaler i Sverige år 1990-2016 [7].

Från Figur 1 - Figur 3 syns det att utvecklingen har varit positiv för bostäder och lokaler i Sverige med

bättre energikällor, mindre utsläpp och mer energieffektivitet. Däremot finns det fortfarande utrymme för

smartare energianvändning med högre effektivitet.

-4-

2.2. Termiskt klimat och komfort

Termiskt klimat innefattar både den termiska komfort som människor upplever när de vistas i byggnaden men även hur själva byggnaden påverkas av det termiska klimatet. Med termisk komfort menas hur det utrymme som människor vistas i upplevs med avseende på främst temperatur och luftdrag [8]. Vid bedömning av termisk komfort i byggnader kan det i många fall vara tillräckligt att enbart ta hänsyn till den termiska komforten i vistelsezonen. Vistelsezonen kan definieras som den zon i ett rum avgränsad 0,1 meter och 2,0 meter horisontellt över golv samt 0,6 meter från innervägg och 1,0 meter från yttervägg i vertikalt led [9]. De främsta faktorer som påverkar den termiska komforten är luftens temperatur, luftens rörelse, strålning från ytor, människors aktivitetsnivå och deras kläders värmeisolerande effekt samt den operativa temperaturen. Operativ temperatur är en sammanvägning av luftens temperatur och medelstrålningstemperaturen från de omgivande ytorna. Oavsett hur bra den operativa temperaturen och luftströmmarna är kan inte ett och samma utrymme rimligtvis tillgodose optimal termisk komfort för alla människor som befinner sig i utrymmet. I ett utrymme där flera människor vistas samtidigt är det därför förväntat att minst 5 procent av dem kommer att vara missnöjda på något sätt med den termiska komforten. Fortsättningsvis kan lokala problem uppstå inom ett visst område varför individuell styrning av det termiska klimatet ofta uppskattas av dem som vistas i byggnaden [10].

Enligt folkhälsomyndigheten ligger den rekommenderade operativa temperaturen på 20 till 23 grader Celsius och 22 till 24 grader Celsius för känsliga grupper. Skillnaden i operativ temperatur mätt 0,1 meter och 1,1 meter ovanför golvet bör inte överstiga 3 grader Celsius. Strålningstemperaturskillnaden mellan fönster och motsatt väg bör inte överstiga 10 grader Celsius och skillnaden mellan tak och golv bör inte överstiga 5 grader Celsius. Luftens medelhastighet bör heller inte överstiga 0,15 meter per sekund och golvets yttemperatur bör vara mellan 20 till 26 grader Celsius [9]. Luftens volymflöde bör vara minst 0,35 liter per sekund och kvadratmeter golvyta och ytterligare 7 liter per sekund för varje människa som befinner sig i rummet för allmänna lokaler [11]. Ett vanligt sätt att mäta inomhusklimatet med avseende på komfort är PPD, predicted percentage dissatisfied, i enlighet med standarden ISO 7730. PPD är ett index som möjliggör en kvantitativ förutsägelse om den procentuella mängd människor som inte upplever termisk komfort i form av att känna sig för varma eller kalla. Standarden bygger på en studie utförd av Ole Fanger under 1960-talet där människor i en klimatkammare fick ange sin upplevda termiska komfort under olika termiska förutsättningar [12]. Den upplevda termiska komforten sammanställdes av Fanger till PMV, predicted mean vote, där PMV förutsäger medelvärdet av röster från en större grupp människor i överensstämmelse med en sjupunktig skala, se Tabell 1. Fanger tog sedan fram ett samband mellan PMV och PPD där ett värde av PMV ger ett värde av PPD vilket går att se i Figur 4. Vilken procentsats av PPD som kan anses godkänd beror på situationen och varierar mellan olika aktörer. Exempelvis säger Arbetsmiljöverket att en lokals PPD bör understiga 10 % [13]. För att en byggnad ska klassas som miljöbyggnad får PPD maximalt vara 10, 15 och 20 % för klassificeringen guld, silver och brons respektive [14]. Vid LEED certifiering får PPD maximalt vara 6, 10 och 15 % för att uppnå klass A, B och C beroende på vilken typ av byggnad som behandlas [15]. I Tabell 2 kan rekommenderade termiska värden kopplat till termisk komfort ses.

Tabell 1. Termisk komfortupplevelseskala [16].

+3 Hot

+2 Warm

+1 Slightly warm

0 Neutral

-1 Slightly cool

-2 Cool

-3 Cold

-5-

Figur 4. Förhållande mellan PMV och PPD.

Tabell 2. Inomhusklimatfaktorer och termiska riktvärden för olika PPD [17].

Kvalitetskategori Inneklimatfaktor A

PPD<6%

B PPD<10%

C PPD<15%

Operativ temperatur för sittande arbete, °C

Klädsel 1,0 clo (vinterfall) Klädsel 0,5 clo (sommarfall)

21-23 23,5-25,5

20-24 23-26

19-25 22-27

Lufthastighet, tidsmedelvärde, m/s (varierar med turbulensgrad)

-vinterfall

-sommarfall 0,1-0,15

0,1-0,2

0,15-0,3 0,1-0,4

0,15-0,5 0,2-0,5

Vertikal temperaturskillnad mellan 0,1 och 1,1 m över golvet

-sommar- och vinterfall <2 <3 <4

Strålningstemperaturasymmetri, °C

-mot varmt tak -mot kall vägg (fönster) -mot varm vägg

<5

<10

<23

<5

<10

<23

<7

<13

<35

Golvtemperatur, °C

-högsta värde -optimalt värde -lägsta värde

19-29

27 24 16

19-29

27 24 16

17-31

27 24 16

Vid beräkning av PPD kan följande ekvation användas i enlighet med standarden ISO 7730 [16]

𝑃𝑃𝐷 = 100 − 95 )*+,+--.-∙012 ³ *+,4567∙012 ⁸ 9 (1)

där PPD står för predicted percentage dissatisfied och PMV står för predicted mean vote.

-6-

För att beräkna PMV kan följande ekvation användas i enlighet med ISO 7730 [16]

𝑃𝑀𝑉 = ?0,303 ^(*+,+-A∙1) + 0,028E ∙

⎩ ⎪

⎪ ⎨

⎪ ⎪

⎧ (𝑀 − 𝑊) − 3,05 ∙ 10 ^*- ∙

[5733 − 6,99 ∙ (𝑀 − 𝑊) − 𝜌 _O ] − 0,42 ∙ [(𝑀 − 𝑊) − 58,15] − 1,7 ∙ 10 ^*. ∙ 𝑀 ∙ (5867 − 𝜌 _O ) − 0,0014 ∙ 𝑀 ∙ (34 − 𝑡 _O ) − 3,96 ∙ 10 ^*S ∙ 𝑓 _UV ∙ [(𝑡 _UV + 273) ^W − (𝑡̅ _Y + 273) ^W ] − 𝑓 _UV ∙ ℎ _U ∙ (𝑡 _UV − 𝑡 _O )⎭ ⎪ ⎪ ⎬

⎪ ⎪

⎫

(2)

där

𝑡 _UV = 35,7 − 0,028 ∙ (𝑀 − 𝑊) − 𝐼 _UV ∙ _

3,96 ∙ 10 ^*S ∙ 𝑓 _UV ∙

[(𝑡 _UV + 273) ^W − (𝑡̅ _Y + 273) ^W ] + 𝑓 _UV + ℎ _U ∙ (𝑡 _UV − 𝑡 _O )

` (3)

där

ℎ _U = 2,38 ∙ |𝑡 _UV − 𝑡 _O | ^+,4. 𝑓ö𝑟 2,38 ∙ |𝑡 _UV − 𝑡 _O | ^+,4. > 12,1 ∙ e𝜈 OY

12,1 ∙ e𝜈 OY 𝑓ö𝑟 2,38 ∙ |𝑡 _UV − 𝑡 _O | ^+,4. < 12,1 ∙ e𝜈 OY

(4)

där

𝑓 _UV = 1,00 + 1,290 ∙ 𝑙 _UV 𝑓ö𝑟 𝑙 _UV ≤ 0,078 𝑚 ⁴ 𝐾 𝑊 1,05 + 0,645𝑙 _UV 𝑓ö𝑟 𝑙 _UV > 0,078 𝑚 ⁴ 𝐾

𝑊

(5)

där M är metabolisk grad mätt i W/m ² , W är mekanisk kraft mätt i W/m ² , I cl är klädernas värmeisolerande effekt mätt i m ² K/W, f cl är klädernas ytareafaktor, t a är lufttemperaturen i grader Celsius, 𝑡̅ Y är

medelstrålningstemperaturen mätt i grader Celsius, 𝜈 OY är den relativa lufthastigheten mätt i m/s, 𝜌 O är det partiella vattenångstrycket mätt i Pa, h c är den konvektiva värmeöverföringskoefficienten mätt i W/m ² K och t cl är klädernas yttemperaturfaktor i grader Celsius [16].

2.3. Fjärrvärme, geoenergi och systemtemperaturens utveckling

Användningen av fjärrvärme har haft en stadig ökning sedan 1950-talet fram tills idag, från cirka 0,560

TWh år 1955 till cirka 46 TWh år 2016 [18]. Användning av fjärrkyla i byggnader har inte funnits lika länge

på marknaden, utan började först användas på 1990-talet. Idag används fjärrkylan i största grad av

kontorsfastigheter, datorcentraler och i en mindre andel bostadsfastigheter [19]. Användningen av fjärrkyla

har under de senaste åren varit relativt stabil och år 2016 användes cirka 1 TWh [20]. I takt med att

fjärrnäten har expanderat i Sverige har även geoenergi blivit populärt. Sverige är ett av de ledande länderna

inom geoenergi och har sedan sent 1970-tal vuxit fram till att bli den tredje största användaren av

teknologin. Främst används geoenergisystemet i mindre hus och då med små anläggningar av bergvärme

eller ytjordsvärme. En mindre andel av Sveriges geoenergisystem består också av större anläggningar som

används för att förse flerbostadshus och lokaler med värme och kyla. Sammanlagt fanns det cirka 540 000

geoenergianläggningar i Sverige i slutet av 2015 och dessa levererade totalt 23 TWh i form av värme och

kyla, medräknat elen till värmepumparna. Av dessa 23 TWh räknades cirka 17,5 TWh som värme och

cirka 1,1 TWh som frikyla [21, 22]. Geoenergins utveckling i Sverige kan ses i Figur 5 .

-7-

Figur 5. Geoenergins utveckling i Sverige från början av 1980-talet fram till år 2015 för kyla och värme inklusive el för värmepumpar [21].

Utvecklingen av både fjärrnäten och geoenergin kombinerat med att byggnader har blivit mer energieffektiva har lett till ett ökat intresse för lägre framlednings- och returtemperaturer, systemtemperatur. Genom att applicera låga systemtemperaturer så kan energiförluster minska samtidigt som mindre energi behövs tillföras för att höja temperaturen. För fjärrnäten minskar exempelvis energiförluster eftersom det värmebärande vattnet vid låg systemtemperatur ligger närmare den omgivande temperaturen. För geoenergisystem kopplade till värmepumpar kan effektiviteten också förbättras. En tumregel säger att coefficient of performance, COP, kan förbättras med cirka 1-2 procent för varje grad Celsius som framledningstemperaturen sänks med [23, 24]. En enkel ekvation som visar på hur framledningstemperaturen påverkar effektiviteten av ett värmepumpssystem visas i följande ekvationer.

𝐶𝑂𝑃 nOYopq,räYtu = 𝑇 _Upow

𝑇 _Upow − 𝑇 _urOx (6)

𝐶𝑂𝑃 nOYopq,yzVO = 𝑇 _urOx

𝑇 _Upow − 𝑇 _urOx (7)

där COP Carnot,värme står för coefficient of performance för det ideala fallet vid värme, COP Carnot,kyla står för coefficient of performance för det ideala fallet vid kyla, T cond står för kondenseringstemperaturen och T evap

står för förångringstemperaturen. Ekvation 6 visar att vid användning av lägre framledningstemperatur, T cond , vid värmning så ökar COP Carnot,värme . På samma sätt säger ekvation 7 att vid högre framledningstemperatur vid kylning, T evap , så ökar COP Carnot,kyla .

Beroende på vilket värme- eller kylsystem man tittar på är systemtemperaturerna olika. Traditionellt sätt

har systemtemperaturen för radiatorer varit relativt hög i Sverige med framlednings-/returtemperatur på

90/70 °C och 80/60 °C. Anledningen har varit att det inte har funnits något incitament till att sänka

temperaturen då pannor har använts som värmekälla samt att minde radiatorer har kunnat användas. Från

-8-

och med 1982 ändrades dock reglerna för värmesystem. Högsta tillåtna temperatur blev 55 °C för nya värmesystem med undantag för vissa fall av fjärrvärme där 60 °C är tillåtet. Fördelarna med lågtemperaturssystem har lett till att dagens radiatorsystem ofta är dimensionerade till temperaturerna 60/45 °C, 60/40 °C samt 55/45 °C. Med en större användning av geoenergi, som ofta arbetar med lägre systemtemperaturer, tillsammans med utvecklingen av fjärde generationens fjärrvärme med en systemtemperatur på cirka 50/20 °C, finns det nu ett större incitament för att sänka systemtemperaturen [25-27].

Vid låg systemtemperatur för värmesystem pratar man oftast om lågtemperaturssystem. För kylsystem pratar man istället om högtemperaturkyla. Gemensamt för de båda systemen är att komma nära rumstemperaturen vid distribution av värme och kyla [28]. Beroende på vilken systemtemperatur det hydroniska värmesystemet i byggnaden arbetar med kan systemen delas in i fyra olika grupper.

Indelningen kan ses i Tabell 3.

Tabell 3. Systemtemperatur för olika hydroniska värmesystem [27, 29].

Värmesystem Framledningstemperatur [°C] Returtemperatur [°C]

Högtemperatur Upp till 95 Upp till 70

Medeltemperatur 55 35-45

Lågtemperatur 45 25-35

Mycket låg temperatur 35 25

För de kylbaserade hydroniska systemen har ingen liknande indelning kunnat hittas. Däremot skriver VTT [28] att kyltemperaturen för system med högtemperaturkyla i de flesta fall ligger mellan 10-15 °C och ibland upp till 20 °C. Peter Filipsson, som forskar på området högtemperaturkyla, säger att framledningstemperaturen kan höjas till mellan 17 och 20 °C för att öka prestandan på kylmaskiner men även för att ta till vara på en större andel frikyla [30]. Baserat på den här informationen tillsammans med information från litteraturstudien i kommande kapitel har författarna valt att göra en liknande indelning för hydroniska kylsystem vilket går att se i Tabell 4.

Tabell 4. Systemtemperatur för olika hydroniska kylsystem.

Kylsystem Framledningstemperatur [°C] Returtemperatur [°C]

Lågtemperatur Under 10 -

Medeltemperatur 10-15 -

Högtemperatur Över 15 -

En fråga som har väckts gällande låga systemtemperaturer är om de tillgängliga slutapparater som finns på

marknaden kan förse en byggnad med tillräcklig termisk komfort och om de redan installerade

slutapparaterna i befintliga byggnader kan anpassas till de låga systemtemperaturerna. Tidigare studier har

visat att det är möjligt att använda en låg systemtemperatur med bibehållen termisk komfort samtidigt som

effektiviteten av energisystemet ökar [23-25, 27, 31]. Majoriteten av de tidigare studierna har dock

fokuserat på flerfamiljehus eller enfamiljshus och inte på kontorsbyggnader. De flesta av studierna har

också fokuserat på enskilda eller en grupp av slutapparater istället för en komparativ analys av de befintliga

slutapparaterna. Det här arbetet kommer därför fokusera på att undersöka hur väl olika slutapparater

presterar med avseende på termisk komfort för användning av låg systemtemperatur och

högtemperaturkyla i kontorsbyggnader och jämföra dessa mot varandra.

-9-

3. Litteraturstudie

För att geoenergisystem och andra hydroniska system ska fungera krävs det att det finns en värmeöverföring mellan det varma eller kalla vattnet och rummet i byggnaden. Överföringen sker genom att vattnet leds genom någon form av slutapparat som har förmåga till antingen konduktivitet, konvektion, strålning eller alla tre mellan vattnet och rummet i byggnaden. Det finns olika typer av slutapparater som används i byggnader och i följande avsnitt presenteras de slutapparater som är vanligt förekommande och som har identifierats i litteraturstudien. De slutapparater som presenteras i litteraturstudien är avgränsade till enbart hydroniska system.

3.1. Golvvärme och -kyla

Golvvärme och -kyla bygger på att vatten med en temperatur antingen högre eller lägre än rumstemperaturen passerar genom rör i golvet där värmeutbytet sker. Konstruktionen kan skilja sig åt och man kan dela upp golvvärme och -kyla i ingjuten och flytande teknik. I den ingjutna tekniken ligger rören fixerade i basen och hela rörens omkrets är täckt av betong och värmeutbytet sker i form av konduktion [32] vilket går att se i Figur 6.

Figur 6. Tvärsnittsbild av ett golvvärme- och kylsystemsexempel med den ingjutna tekniken [33].

Inom den ingjutna tekniken kan konstruktionen skilja sig åt något men principen är den samma. Tekniken

har en av de lägsta framledningstemperaturerna och passar bra för låga systemtemperaturer. För att

framledningstemperaturen ska kunna hållas så låg som möjligt är det viktigt att rören inte läggs för långt

ifrån varandra samt att värmemotståndet i den del av golvet som är i kontakt med rummet hålls så låg som

möjligt [33].

-10-

I den flytande tekniken finns också konstruktionsskillnader men principen är den samma. Rören är lagda i skåror vilket gör att värmeutbytet till lagret ovanför huvudsakligen sker från ovansidan av röromkretsen vilket går att se i Figur 7. En aluminiumplatta är vanligtvis också i kontakt med rören för att förbättra värmeöverföringen till lagret ovanför. Hela strukturen är sedan täckt av ett lager av betong eller trä och värmeutbytet från rören till detta lager sker mestadels genom konduktion men även konvektion [32].

Figur 7. Tvärsnittsbild av ett golvvärme- och kylsystemsexempel med den flytande tekniken [33].

Framledningstemperaturen för den flytande tekniken är något högre än vad den är för den ingjutna tekniken. Däremot är massan lägre vilket gör det lättare att reglera värmeeffekten efter snabba temperaturförändringar [33].

Oavsett flytande eller ingjuten teknik kan golvvärme och -kyla i många fall vara ett fördelaktigt alternativ till många andra system med tanke på att det medför en hög termisk komfort. Framförallt uppnås en hög termisk komfort tack vare en mycket bra temperaturdistribuering i hela rummet tillsammans med en låg vertikal gradient där temperaturen är som högst närmast golvet. Detta gör systemet passande för stora rum med högt i tak där det är svårare att uppnå en jämn temperaturfördelning. Eftersom majoriteten av värmeutbytet till rummet sker genom strålning, vanligtvis runt 50 procent, och ytarean är väldigt stor går det oftast att sänka lufttemperaturen i rummet utan att den operativa temperaturen förändras vilket medför en effektivare värmeanvändning [32]. Framledningstemperaturen för golvvärme och -kyla kan variera mellan olika system. Ett vanligt intervall är 30 till 45 grader Celsius för värme [27]. Däremot är framledningstemperaturen för värme oftast lägre än 35 grader Celsius [25] med möjlighet att arbeta med en temperatur på 25 grader Celsius. Framledningstemperaturen för kyla ligger ofta mellan 10 till 15 grader Celsius [28]. Däremot menar [34] att en framledningstemperatur på mer än 15 grader Celsius kan tillgodose kylbehovet i en byggnad. Fortsättningsvis är den totala värmeöverföringskoefficienten för golvvärme cirka 9 till 11 W/m ² K [35-37] och för kyla är den totala värmeöverföringskoefficienten cirka 6,5 till 7 W/m ² K [35, 36].

Fortsättningsvis är golvvärme och -kyla fördelaktigt på grund av det så kallade självregleringsfenomenet

tack vare den låga systemtemperaturen. Vad det innebär är att när temperaturskillnaden mellan rummet

och slutapparaten är liten påverkas värmeutbytet väldigt mycket för varje grad temperaturen förändras i

rummet. Det motverkar att rummet överhettas eller blir för kallt ifall en temperatursänkning eller -höjning

plötsligt skulle uppstå i rummet. Golvvärme och -kyla är även bra för luftkvalitén i och med att det inte

bidrar till att cirkulera eller lyfta upp damm. Dammet sintrar heller inte fast på uppvärmningsytorna och

-11-

luftjonisering uppstår inte eftersom att systemtemperaturen är låg. Slutapparaten kommer dock inte bara med fördelar utan det finns även begränsningar och nackdelar. Den främsta nackdelen är att systemet har en väldigt stor massa, ofta tiotals gånger högre än exempelvis en konvektor med samma värmeutbyte.

Följderna av en väldigt stor massa blir en hög termisk tröghet vilket gör att golvsystemet har svårt att reglera värmeeffekten efter snabba temperaturförändringar i rummet vilket kan leda till att rummet överhettas eller underkyls. Däremot kompenseras detta till stor del av det tidigare nämnda självregleringsfenomenet. En annan begränsning är systemets känslighet för förändringar av värmemotståndet i det yttersta lagret av golvet, det vill säga den del som täcker vattenledningsrören och som är i kontakt med rummet. Anledningen till känsligheten är att alla parametrar är beräknade efter ett givet värmemotstånd och om detta förändrats ändras även värmeeffekten vilket begränsar urvalet av material samt användning av mattor [32].

Av hälsoanledningar är även den max tillåtna yttemperaturen som golven får ha begränsad för att inte orsaka skada för dem som är i kontakt med golvet vilket kan vara en avgörande faktor i gamla och dåligt isolerade byggnader som kräver höga värmeeffekter. Lasten som systemet kan hantera är även begränsad vilket gör det olämpligt att installera systemet i exempelvis industrilokaler som har tunga maskiner på golvet. Den låga systemtemperaturen som systemet har kräver även att massflödet är relativt högt vilket tillsammans med att rören är långa med flertalet böjar orsakar tryckförluster som i sin tur ökar elkonsumtion för pumpen som cirkulerar vattnet [32].

3.2. Väggvärme och -kyla

Många av de strukturer och egenskaper som golvvärme och -kyla har gäller även för väggvärme och kyla.

Precis som för golvvärme och -kyla används vanligtvis den ingjutna och flytande tekniken när systemen konstrueras. Med den ingjutna tekniken fixeras rören i väggen för att sedan täckas fullständigt med ett 30 till 40 millimeter tjockt lager bestående av olika material. För att undvika sprickbildning i materialen när rören krymper eller expanderar på grund av temperaturförändringar under operation är väggen ofta förstärkt med fiberglas eller metall. Med den flytande tekniken läggs rören i skåror i redan färdiga plattor av bland annat gips istället för att täckas helt [32]. Framledningstemperaturen för båda teknikerna kan ligga mellan 10 och 15 grader Celsius för kylning, med möjlighet till högre kyltemperatur, och mellan 25 till 50 grader Celsius för värmning [28] men vanligtvis är framledningstemperaturen för värmning under 35 grader Celsius [25]. Den totala värmeöverföringskoefficienten för väggvärme är cirka 8 till 8,4 W/m ² K [35-37] och den totala värmeöverföringskoefficienten för väggkyla är cirka 8 W/m ² K [36]. Majoriteten av värmeutbytet sker genom strålning, precis som för golvvärme och -kyla. Skillnaden är däremot vilken yttemperatur som väggvärme och -kyla kan operera med samt att andelen strålning ofta är högre.

Eftersom ingen är i direktkontakt med väggen kan den tillåtna yttemperaturen i väggen vara både högre och lägre än vad den tillåtna yttemperaturen i golvet är, vilket erbjuder större flexibilitet. Till skillnad från golvvärme och -kyla har oftast materialet som täcker rören i väggen ett lägre värmemotstånd vilket tillsammans med en högre tillåten yttemperatur möjliggör en större värmeeffekt vid en given temperatur och massflöde [32]. Enligt Bojic et al. har väggvärme och -kyla med ordentlig isolering 28 procent lägre primärenergianvändning än exempelvis vanliga radiatorer [38]. Massan är dessutom mindre för väggsystemet, jämfört med golvsystemet, vilket innebär en lägre termisk tröghet som därmed möjliggör en snabbare reglering av värmeeffekten [32].

Precis som för golvsystemet distribuerar väggsystemet rumstemperaturen väldigt bra i jämförelse med

andra system, dock något sämre än vad golvsystemet gör. Den vertikala temperaturgradienten för

väggsystemet blir inte lika tydlig som för golvsystemet när systemet installeras på hela väggen. Om

systemet istället koncentreras på en del av väggen blir den vertikala temperaturgradienten tydligare och

mindre konstant [32]. Det är även viktigt att väggvärmen installeras under fönsterna för att motverka

kallras [39]. Den termiska komforten är även något bättre för väggvärme och -kyla än för vanliga

radiatorer [40] dock är väggvärme i likhet med golvvärme sämre på att motstå kalla luftdrag som är

nedåtgående [27]. Fortsättningsvis kan även lufttemperaturen sänkas utan att påverka den termiska

-12-

komforten negativt i och med den stora strålningsyta som systemet har vilket även möjliggör en effektivare uppvärmning [32]. Bäst termisk komfort uppnås om väggvärmen placeras på ytterväggarna, men för att minska värmeförlusterna kan en del av systemet placeras på innerväggen [39]. Utifrån ett design- och inredningsperspektiv kan väggvärme och -kyla vara fördelaktigt då det innebär mer flexibilitet kring var och hur mattor, skrivbord och möbler kan placeras. Däremot måste hänsyn tas till andra inredningsdetaljer såsom fönster, tavlor och garderober när väggvärme och kyla ska användas.

Fortsättningsvis minskar även risken för luftjonisering samt att damm cirkulerar och sintrar fast på systemets varma ytor [32].

3.3. Takvärme och -kyla

Takvärme och -kyla bygger på samma teknik, strukturer och egenskaper som både golv- och väggsystemet gör. Den största skillnaden är att en mycket större andel, ibland över 90 procent, av värmeutbytet sker genom strålning och resterande del genom konvektion. Takvärme och -kyla har till skillnad mot golvvärme, väggvärme och -kyla en mindre gynnsam temperaturfördelning vilket beror på att den vertikala temperaturgradienten är högst vid taket och lägst vid golvet [32].

Vid takkylning kan dragkänsla uppstå på grund av konvektion när kalla luftströmmar färdas mot golvet i omgångar. Detta sker genom att luften under taket kyls tills den kylda luften blir så pass kall att den faller nedåt där människor befinner sig. Värmeförluster genom fönsterna minskar med takvärme men däremot ökar förlusterna genom taken och golven. Ventilationsförluster kan också öka om frånluften tas ut för nära taket. Fortsättningsvis kan kallraseffekten bli större med ett luftintag placerat på ytterväggen för intag av utomhusluft och om möblerna och skrivborden förhindrar att takvärmen når golvet [39]. Takvärme har även en mindre värmeeffekt jämfört med golv- och väggvärme vilket bland annat beror på en låg värmeöverföringskoefficient [32]. Framledningstemperaturen för takvärme och kyla kan ligga på mellan 10 och 15 grader Celsius för kylning och mellan 25 till 50 grader Celsius för värmning [28] men vanligtvis är framledningstemperaturen för värmning under 35 grader Celsius [25]. För takvärme är den totala värmeöverföringskoefficienten cirka 5,8 till 6 W/m ² K [35-37] och för kyla är den totala värmeöverföringskoefficienten cirka 11 till 13,2 W/m ² K [35, 36]. En av de största fördelarna med takvärme och -kyla är att systemet inte påverkas av möblering eller andra objekt som annars kan vara i vägen och försämra värmeutbytet [32]. En studie av Sarbu & Sebarchievici har visat att en kombination av golv- och takvärme presterar bäst med avseende på energianvändning, koldioxidutsläpp och driftkostnad i jämförelse med enbart golv-, vägg- eller takvärme [38].

3.4. Radiatorer

Det finns olika typer av radiatorer. Den vanligaste typen är panelradiatorer och konvektiva panelradiatorer där värmeutbytet sker med både strålning och konvektion. En annan typ kallas konvektorer där majoriteteten av värmeutbytet sker via konvektion [32]. Rörsystemet kopplat till radiatorsystemet är idag ofta utformat som ett tvårörssystem medan det på 1960- och 1970-talet ofta var utformat som ett ettrörssystem. Fördelen med tvårörssystemet är att radiatorerna är kopplade parallellt och därmed förses med samma inloppstemperatur jämfört med ettrörssystemet, där radiatorerna är kopplade i serie och därmed förses med lägre inloppstemperatur för varje radiator som passeras i kretsen [26, 39].

Användningsområdet för panelradiatorer är i hela byggnadsindustrin medan konvektorerna ofta installeras

i kontor, affärer eller banker där fönsterarean ofta är stor. Den stora fönsterarean leder ofta till att en del

av strålningen försvinner ut genom fönstret vilket leder till större värmeförluster hos vanliga

panelradiatorer jämfört med konvektorer, som har minimalt strålningsutbyte. Några fördelar med

panelradiatorer är bland annat låg vattenvolym, kombinerat med låg termisk tröghet, högt värmeutbyte i

relation till att panelen kan göras relativt liten och att värmeutbytet kan ske via strålning. En nackdel för

panelradiatorer är att de är känsliga för korrosion. Fördelarna för konvektorerna är likartade med ännu

bättre värde för vattenvolymen och den termiska trögheten. De har ofta små dimensioner och höjden på

konvektorn är ofta väldigt låg jämfört med en panelradiator. Konvektorn, jämfört med andra typer av

-13-

radiatorer, kan även värma rummet med en majoritet av konvektion. Nackdelarna med konvektorn hittas främst vid installation i bostäder. På grund av ökad konvektion genereras en större cirkulation av damm i luften vilket kan påverka välmåendet av de inneboende. På grund av mindre strålningsutbyte vid användning av konvektorer kan även den termiska komforten påverkas [32].

Figur 8 visar designen på de två olika panelradiatorerna samt av konvektorn. Figuren visar på att den stora skillnaden mellan den konvektiva panelradiatorn (uppe till vänster i Figur 8) och vanliga panelradiatorn (uppe till höger i Figur 8) är att den konvektiva panelradiatorn har konvektionslameller mellan panelerna. I nedre del av Figur 8 visas hur konvektorn är konstruerad. Här går det att se att vattnet flödar i ett internt rör med tätt packade metallflänsar, istället för i paneler.

Figur 8. Design samt tvärsnittsbild av konvektiv panelradiator (uppe till vänster), panelradiator (uppe till höger) och konvektor (nedre) [41].

Typiska framlednings- och returtemperaturer för konventionella radiatorer är 55/45°C vilket går under medeltemperatursystem enligt Tabell 3. Den här temperaturen är inte optimal för geotermiska värmepumpar som sällan arbetar med högre temperaturer än 55°C [42]. Med dagens mer energieffektiva och tätare byggnader finns det studier som visar att en sänkning av systemtemperaturen ned till 45/35 °C är möjlig för konventionella radiatorer, utan att påverka den termiska komforten negativt [31]. Nagy et al.

[43] visade bland annat att en sänkning från 55°C ned till 45°C av framledningstemperaturen, utan någon ombyggelse/renovering, inte påverkade den termiska komforten negativt i en befintlig byggnad. Det visar att lågtemperaturssystem är möjligt att implementera i befintliga system med konventionella radiatorer.

Utöver de konventionella radiatorerna finns det två andra typer av radiatorer som är mer lämpade för lågtemperaturssystem. De här två typerna kallas ventilationsradiator samt fläktförstärkt radiator.

Ventilationsradiatorn fungerar både som en radiator och som ett tilluftssystem. Genom att tilluftsintaget är

placerat bakom radiatorn inhämtas utomhusluft genom en kanal som sedan förs vidare in i

-14-

ventilationsradiatorns paneler och förvärms till rumstemperatur, för att sedan distribueras i rummet. En simpel illustration av ventilationsradiatorn visas i Figur 9. På grund av ökad konvektion, luftflödet genom radiatorn samt den stora temperaturskillnaden mellan utomhusluften och radiatorn blir värmeutbytet för ventilationsradiatorn högt, även för låga systemtemperaturer [25]. Myhren [29] har bland annat via experiment visat på att värmeutbytet för ventilationsradiatorer kan mer än fördubblas jämfört med traditionella radiatorer. Han visar bland annat att en ventilationsradiator som arbetar med en framledningstemperatur på 35 °C har ungefär samma värmeutbyte som en traditionell radiator som arbetar med en framledningstemperatur på 55 °C. En annan studie utförd i labbförhållande med syfte att jämföra lågtemperaturssystem och mycket låga temperaturssystem visade att en ventilationsradiator kunde förse ett rum med tillräcklig värme vid en framledningstemperatur på 33 °C [31]. För samma rum behövde golvvärmen en framledningstemperatur på 30 °C och en konventionell radiator 45 °C för att förse rummet med tillräcklig termisk komfort. Hur långt ned framledningstemperaturen kan sänkas beror på hur modern byggnaden är. I en studie gjort av Ovchinnikov et al. [27] sammanställs olika lågtempererade system där ventilationsradiatorn i de olika studierna som framhålls har ett intervall på 35 till 45 grader Celsius i framledningstemperatur. Det här visar att ventilationsradiatorn mycket väl kan fungera i lågtemperaturssystem.

Ventilationsradiatorn kan troligen även användas för att kyla genom att cirkulera kallvatten genom radiatorn istället för varmvatten. Dock uppstår det begräsningar relaterat till kondensation på de kalla ytorna av ventilationsradiatorn om lufttemperaturen går lägre än daggpunkten. En studie gjord av Myhren

& Holmberg [44] testade hur ventilationsradiatorn hanterade att kyla. Inkommande utomhusluft hade en temperatur av 30°C med relativ luftfuktighet på 65 procent, inomhusluften hade en temperatur på 24°C med 65 procent relativ luftfuktighet och daggpunkten låg på 17°C. De kom fram till att ventilationsradiatorn hade en kyleffekt på 54 W om kondensation inte var tillåtet och 166 W kyleffekt ifall kondensation var tillåtet i ventilationskanalen. Deras slutsats blev att ventilationsradiatorn i nuläget inte är lämplig för användning vid kyla om kondensbildning är otillåtet. Om kondensbildning är tillåtet kom de fram till två uppmaningar. Nämligen att ett dräneringssystem måste integreras i ventilationsradiatorn samt att yttemperaturen av radiatorn måste kunna anpassas gentemot önskad kyleffekt och daggpunkten för inomhusluften.

Nackdelarna med ventilationsradiatorn är bland annat att luftfiltret som filtrerar utomhusluften kan täppas igen samt att ett hål behöver göras i den externa väggen där ventilationsradiatorn ska placeras. En annan nackdel är att eftersom tilluftssystemet för ventilationen sker via radiatorn går det inte att ha ett till- och frånluftsystem med värmeåtervinning av den utgående luften för att värma tilluften. Däremot är det möjligt med värmeåtervinning ifall ett frånluftsystem används med exempelvis en frånluftsvärmepump [25]. Ventilationsradiatorn är därför anpassad för att installeras i byggnader med frånluftsystem.

Ventilationsluften som ventilationsradiatorn förser rummet med ligger typiskt på cirka 8 till 10 liter per sekund vilket även kan missgynna ventilationsradiatorn om större luftflöden behövs [29].

Vid en fläktförstärkt radiator placeras små fläktar under panelen av en konventionell radiator vilket går att

se i Figur 9. Genom påtvingad konvektion genereras ett högre värmeutbyte från radiatorn på grund av

ökad konvektion jämfört med en konventionell radiator. Med det högre värmeutbytet för den

fläktförstärkta radiatorn blir det möjligt att sänka framledningstemperaturen utan att riskera en försämring

av den termiska komforten [25]. [25] nämner att en möjlig framledningstemperatur för den fläktförstärkta

radiatorn är 35 till 45 grader Celsius. Få studier har dock kunnat hittats som behandlar den fläktförstärkta

radiatorn. För en konventionell radiator som arbetar med en framledningstemperatur på 55°C blir det

möjligt att sänka temperaturen ned till 45°C vid installation av fläktar, utan att påverka värmeutbytet från

radiatorn. Fläktarna som installeras under radiatorn konsumerar elektricitet vilket i förhållandet till det

ökade värmeutbytet är väldigt lågt. Fläktarnas elkonsumtion är mellan en till två procent av det ökade

värmeutbytet som uppstår. Fläktarna kan också öka den termiska komforten i rummet genom att sprida

värmen från radiatorn bättre. Installation av fläktar under radiatorn är ingen större procedur och kan

-15-

därför vara ett lämpligt val där det inte är möjligt att installera andra lågtemperaturssystem som ventilationsradiator eller golvvärme. En nackdel med den fläktförstärkta radiatorn är att fläktarna kan generera oljud vilket kan störa dem som befinner sig i rummet [45].

Figur 9. Ventilationsradiator med intag av utomhusluft genom väggen visas till vänster och fläktförstärkt radiator med installerade fläktar undertill av radiatorn visas till höger [25].

Värmeöverföringsförmågan för de olika typerna av radiatorerna skiljer sig åt och är starkt beroende av temperaturskillnaden mellan radiatorn och den omgivande luften. Det här bidrar till att konventionella radiatorer som arbetar med högre framledningstemperaturer oftast har ett högre värde för den totala värmeöverföringskoefficienten. För lågtempererade radiatorer finns det därför två sätt att öka den totala värmeöverföringskoefficienten, via ökad mantelarea för radiatorn eller via ökad konvektion över radiatorn [27]. Eftersom ventilationsradiatorn både har ökad konvektion samt ökad temperaturskillnad mellan radiator och ingående utomhusluft kan ventilationsradiatorn ha ett likartat värde på den totala värmeöverföringskoefficienten som en traditionell radiator som arbetar med högre framledningstemperatur. Den totala värmeöverföringskoefficienten för konventionella radiatorer ligger på mellan cirka 5 och 10 W/m ² K beroende på temperaturskillnad mellan radiator och omgivande luft samt design av radiatorn. Det högre intervallet, 8 till 10 W/m ² K, ligger generellt för radiatorer som arbetar med hög framledningstemperatur medan det undre intervallet, 5 till 7 W/m ² K, för radiatorer som arbetar med låg framledningstemperatur [46, 47].

3.5. Värmelister

Värmelister har varit tillgängliga på marknaden under en lång tid, trots detta har användning av tekniken

varit begränsad i Europa och i Sverige. Som namnet framhåller installeras en värmelist längs den nedre

delen av väggen och ersätter då en traditionell golvlist. Designmässigt karaktäriseras värmelisten av att ha

en låg profil på mellan 120 till 200 millimeter. Längden av värmelisten är helt beroende av dimensionen av

väggarna men ligger vanligtvis mellan 8 och 15 meter. Installationen av värmelister sker i normala fall

längs två eller tre väggar i rummet men det är även möjligt att placera värmelisterna längs alla fyra väggar. I

likhet med radiatorerna är den vanligaste installationen ett tvårörssystem, ett rör för framledning av varmt

vatten och en returledning med det kylda vattnet som har avgivit sin värme. Det finns även installationer

med två framledningsrör och två returrör. Vanligtvis är värmelisten konstruerad genom att vattenröret är

inneslutet av tunna metallflänsar för att sedan täckas av ett tunt metallhölje. Värmeavgivning sker genom

att värmen från vattnet transporteras ut till metallhöljet för att avges till rummet. Värmeöverföringen sker

både via strålning och konvektion [46, 48, 49]. Fördelarna med värmelister är bland annat stor

värmeöverföringsarea som ger förbättrad strålningsvärme ut i rummet. Den låga profilen för värmelisten

genererar även en hög konvektiv värmeeffekt per kvadratmeter. Den låga profilen innebär även att

värmelisten kommer i kontakt med luft som har en lägre temperatur och därmed ökar värmeutbytet

mellan värmelisten och luften i rummet. Dessa fördelar bör göra värmelister lämpliga för låga

systemtemperaturer [46, 49]. Fördelarna gör även att värmelisten oftast har ett högre värde på den totala

-16-

värmeöverföringskoefficienten jämfört med radiatorer. Beroende på skillnad mellan framledningstemperatur och rumstemperatur kan värdet på den totala värmeöverföringskoefficienten ligga på cirka 9.5 och 15 W/m ² K för en konventionell värmelist [46]. Ur ett design- och platsperspektiv är värmelister även fördelaktigt i och med att de inte tar upp speciellt mycket plats. Värmelister är heller inte synligt på samma sätt som konventionella radiatorer. Värmelisterna kan också snabbt reglera värmeeffekten vid olika värmebehov [48]. Figur 10 visar hur värmelisten är placerad i rummet samt hur tvärsnittet av listen ser ut.

Figur 10. Installation av värmelisten i rummet (till vänster) [48] samt tvärsnitt av typisk värmelist (till höger) [46].

Tidigare studier har gjorts på hur värmelister hanterar låga systemtemperaturer. Ploskić & Holmberg [48]

studerade bland annat hur värmelister hanterar luftdrag för olika framledningstemperaturer för tre olika konfigurationer av utplacering av värmelisterna. De provade framledningstemperaturer på 40, 45 och 55 grader Celsius. Samtliga fall lyckades täcka värmeförlusterna kopplade till ventilationsförlusterna och transmissionsförlusterna och därmed hålla rummet i en jämn temperatur. På grund av luftdrag nära golvnivån visade sig den termiska komforten vara något låg strax ovanför golvet för en framledningstemperatur på 40 och 45 grader Celsius. Högre upp i rummet var dock den termiska komforten god. För en framledningstemperatur på 55 °C var den termiska komforten god i hela rummet.

Samma författare, Ploskić & Holmberg, har även studerat integrationen av ventilation i värmelisterna i en annan studie [50]. Där kom de fram till att det var fullt möjligt att förse rummet med tillräcklig termisk komfort och hålla rummet på en jämn temperatur med en framledningstemperatur på 45°C. Luftdraget som var märkbart i den andra studien utförd av Ploskić & Holmberg [48], för den konventionella värmelisten, var inte lika påtagligt med den integrerade ventilationen. Värmeutbytet mer än fördubblades med den integrerade ventilationsliten jämfört med värmelisten utan integrerad ventilation. Vilket i större del berodde på den ökade konvektionen som genereras av ventilationsflödet. Med den integrerade ventilationen i värmelisten avgavs ungefär 80 procent av värmen via konvektion och 20 procent från strålning jämfört med den konventionella, där samma förhållande var ungefär 50/50 procent [50]. Från dessa studier kan det anses att värmelister har en möjlighet att kunna integreras i lågtemperaturssystem.

Om problemet med det kalla luftdraget vid golvnivå för de konventionella värmelisterna kan lösas bör värmelisterna även fungera vid framledningstemperatur av 40°C.

3.6. Kyl- och värmebafflar

Kylbafflar har funnits på marknaden under en längre tid och har blivit ett vanligt system som installeras i

kommersiella byggnader med ett relativt högt kylbehov. Tekniken har vuxit till att bli ett populärt VVS-

-17-

system i Europa och har under de senaste åren även vuxit i intresse i USA. Tekniken kan användas för kyla, värme samt ventilation men används främst för kylbehov [51].

Det finns primärt två olika typer av kylbafflar, passiva samt aktiva. Gemensamt för båda typer är att värmeutbytet sker främst via konvektion. Enkelt beskrivet består den värmeöverförande komponenten av kopparrör kopplade till tunna metallflänsar som ofta kallas kyl- eller värmebatteri, som i sin tur är täckt av ett metallhölje. Den passiva kylbaffeln arbetar med naturlig konvektion genom att den varma luften i rummet stiger upp till kylbaffeln. Luften passerar därefter kylbaffelns flänsar där luften kyls för att sedan falla ned i rummet igen på grund av att luften har fått högre densitet. För den passiva kylbaffeln är det viktigt med god luftcirkulation samt tillräckligt med utrymme ovanför kylbaffeln för att tillåta tillräckligt med luft att kunna passera genom baffeln [52]. Den passiva kylbaffeln arbetar för att enbart kyla rummet och är inte kopplad till ventilationssystemet. Ventilationen sköts med ett annat system vid användning av passiva kylbafflar. Passiva kylbafflar kan även användas för att värma rummet, det är dock ovanligt [51, 53]. Den aktiva kylbaffeln kombinerar tilluft tillsammans med kyla eller värme, vilket innebär att baffeln är integrerad till byggnadens ventilationssystem. I den aktiva kylbaffeln förser baffeln rummet med luft genom munstycken. När tilluften flödar genom munstyckena skapas ett undertryck runt munstyckena vilket suger upp rumsluften genom kyl- eller värmebatteriet. Den uppsugna rumsluften blandas sedan med tilluften för att sedan distribueras ut till rummet [53]. Utöver den passiva och aktiva baffeln finns det även en annan typ av baffel som kallas multifunktionell kylbaffel. Den multifunktionella kylbaffeln kan integreras med aktiv eller passiv kylbaffel. Skillnaden gentemot de traditionella kylbafflarna är att den multifunktionella baffeln kan installeras med funktioner som i annat fall installeras separat i rummet. De här funktionerna kan exempelvis vara belysning, sprinklersystem och styr- och reglersystem [52]. Figur 11 visar hur luftflödet flödar genom kylbaffeln för en aktiv- och passiv kylbaffel. I figuren går det att se, som tidigare beskrivits, att den passiva kylbaffeln enbart arbetar med den befintliga rumsluften medan den aktiva kylbaffeln arbetar med både tilluft och rumsluft.

Figur 11. Tvärsnittsbild av en aktiv kylbaffel (till vänster) och en passiv kylbaffel (till höger) som visar luftflödet genom kylbaffeln vid kylning [53].

De fördelar med kylbafflar som brukar nämnas är många. Några är bland annat att dem i de flesta fall

arbetar tyst på grund av att de inte har någon fläktdel. Kylbafflarna är också designade för att leverera luft

med låga hastigheter vilket minskar risken för kalla luftdrag. Designen av kylbafflarna möjliggör även en

god blandning av rumsluften och tilluften vilket resulterar i att rummet håller en jämn temperatur. En

design utan rörliga delar gör också att kylbaffeln behöver mindre underhåll. En annan fördel är

energieffektiviteten. Kylbafflar arbetar med låga systemtemperaturer och är därför lämpliga i

lågtemperaturssystem samt högtemperaturkyla [51-53]. Typiska framledningstemperaturer för vattnet vid

kylning är mellan 14 till 18 grader Celsius och vid värme mellan 30 till 45 grader Celsius. Det innebär att

systemet kan ta till vara på frikyla från utomhusluften under delar av året samt att kylbafflarna är lämpliga

att integreras med värmepumpar [52, 54]. En begränsning med kylbaffeln inträffar i rum med hög

fuktighet vilket innebär att kondensbildning kan uppstå på kylbatteriet. En annan begränsning är att

-18-

kylbaffeln är ett separat system och måste installeras i varje rum till skillnad från ett VAV-system, variable air volume, som kan förse flera rum samtidigt med kyla och tilluft. I kalla klimat med högt värmebehov kan även värmeeffekten från kylbaffeln vara för liten och därmed behöva kompletteras med andra värmesystem som exempelvis radiatorer [55].

3.7. Fläktkonvektor

Fläktkonvektorer har under åren blivit ett populärt luftkonditioneringssystem som används för att kyla och värma ett rum och kan även användas för att distribuera tilluft. Fläktkonvektorn återcirkulerar även rumsluften. Systemet kan antingen installeras i taket, ståendes på golvet eller monteras på en vägg.

Fläktkonvektorn består av en eller flera värmeväxlare för kyla och/eller värme, droppfat för kondensbildning, en fläkt samt ett filter, allt inneslutet i ett metallhölje. Värmeväxlaren har oftast ett kopparrör som är kopplat till metallflänsar för att öka värmeöverföringsarean. Med hjälp av fläkten forceras luften genom värmeväxlaren vilket ökar värmeöverföringen via konvektion [56, 57].

Värmeutbytet kan antingen styras genom att reglera massflödet av vattnet som passerar genom rören eller genom att reglera luftflödet som passerar rören. I vissa fall kan en kombination av båda sätten förekomma [57].

För fläktkonvektorer installerade i taket leds tilluften genom kanalsystemet fram tills en spridare som distribuerar luften i rummet. Luftresistansen över fläktkonvektorn bör även begränsas för att undvika ökad ljudnivå och energianvändning. Rumsluften återcirkuleras genom fläktkonvektorn tillsammans med ny tilluft där båda luftströmmarna blandas i takutrymmet innan de strömmar genom fläktkonvektorn. Den återcirkulerade luften kan ha en högre temperatur än rumsluften i och med att den återcirkulerade luften ofta strömmar över lampor och därmed absorberar en del av värmen. Detta bör tas i åtanke när fläktkonvektorn dimensioneras. En annan metod är att rumsluften strömmar direkt in i fläktkonvektorn genom att ett ventilationsrör kopplar samman frånluftsuttaget och fläktkonvektorn. Även om denna metod har fördelar när exempelvis luftens renlighet är viktig kan det statiska luftmotståndet öka. Det är även möjligt att enbart använda ny tilluft genom att koppla samman tilluftsintaget och fläktkonvektorn så att tilluften kan strömma direkt in i fläktkonvektorn, utan någon blandning med rumsluften. En ytterligare metod är möjlig ifall ett spjäll integreras i systemet precis innan själva fläktkonvektorn som kan reglera både tilluften och återcirkulationen [57]. Ett exempel på hur en fläktkonvektor installerad i taket arbetar och ser ut kan ses i Figur 12.

Figur 12. Takinstallerad fläktkonvektor med kombinerad tilluft och återcirkulation av rumsluft [57].

-19-

Vertikalt monterade fläktkonvektorer kan placeras stående på golvet eller på väggen. Vanligtvis är de placerade under fönster där värmebehovet är större. En begränsande faktor vid val av placering är att det kan vara svårt att dra rör och andra nödvändiga installationer till fläktkonvektorn. Vertikalt monterade fläktkonvektorer med omgivande chassi tar in återcirkulerade luft och ibland även ny tilluft. I vissa fall när fläktkonvektorn inte kan ta in fräsch ny tilluft så måste tilluften tas in via ett separat rörsystem. Frånluften hanteras även separat och strömmar ur ett eget rörsystem [57]. Ett exempel på hur en vertikalt monterad fläktkonvektor arbetar och ser ut kan ses i Figur 13.

Figur 13. Vertikalt monterad fläktkonvektor med återcirkulerad rumsluft med separata till- och frånluftssystem. Inringad fläktkonvektor visar en alternativ installation där tilluftsintaget sker via fläktkonvektorn [57].

Fläktkonvektorer har traditionellt sett används primärt för kyla och brukar vara designade för att använda sig av kyltemperaturer på 6/12 grader Celsius. Drift av högre temperaturer vid kylning verkar inte vara det normala, dock säger [57] att det går att arrangera kylbatteriet för operation av 12/16 grader Celsius [57].

En fläktkonvektor från Quartz, med namn LoCO2, är designad från start att arbeta med en kyltemperatur på 12/17 grader Celsius vilket är en relativt hög kyltemperatur [58]. Det indikerar på att det i alla fall är möjligt att arbeta med relativt höga kyltemperaturer för fläktkonvektorer. Gällande temperaturer för värme har temperaturerna traditionellt varit relativt höga för fläktkonvektorer, med en framledningstemperatur upp emot 80 grader Celsius [57, 59]. Det är en temperatur som många tillverkare fortfarande använder sig av i sina produktblad. Däremot går det även att finna lägre framledningstemperaturer i produktbladen för olika fläktkonvektorer. Den tidigare nämnda fläktkonvektorn, LoCO2, är designad för att kunna arbeta med vattentemperaturer på 60/40 grader Celsius respektive 50/40 grader Celsius [58]. En annan tillverkare har en framledningstemperatur på 40°C i sitt produktblad [60]. [61] nämner också att framledningstemperaturer på 32 till 38 grader Celsius har använts för att värma byggnader. Samtidigt nämner de att värmekapaciteten sjunker dramatiskt med minskad framledningstemperatur eftersom fläktkonvektorn oftast är designad för högre framledningstemperaturer. Ingen studie har kunnat hittats hur det termiska klimatet påverkas av lägre systemtemperaturer för fläktkonvektorn. Den information som hittades från olika tillverkare påvisar dock att det bör vara möjligt att kunna använda fläktkonvektorn för lägre framledningstemperatur vid värme.

3.8. Sammanställning och jämförelse av slutapparater

Utifrån kapitlet om slutapparater går det att urskilja att de är anpassade för att antingen värma, kyla eller

både och. En del av slutapparaterna har också förmågan att fungera som ett tilluftsdon. Deras för- och

nackdelar skiljer sig åt och slutapparaterna är sällan anpassade för att fungera optimalt i alla typer av

byggnader och situationer. Litteraturstudien har också visat typiska värmeöverföringskoefficienter samt