Huoneen lämpötilagradientin vaikutus energiankulutukseen

Transkriptio

1 lämpötilagradientin vaikutus energiankulutukseen TkL Mika Vuolle SIY Sisäilmatieto Oy Yleistä Käytännössä kaikilla ilmanjakotavoilla huoneeseen muodostuu pystysuuntainen lämpötilagradientti. Syrjäyttävässä ja kerrostavassa ilmanjakotavassa pyritään saamaan lämpötilagradientti aikaiseksi tuomalla alilämpöistä ilmaa oleskeluvyöhykkeen alaosaan. Yhtenä käytännön esimerkkinä kerrostavasta ilmanjakotavasta voidaan mainita Vasathermin markkinoille tuoma Softflow-teknologia. Kun huoneeseen aikaansaadaan lämpötilagradientti, pienemmällä jäähdytysteholla voidaan tuottaa tilassa oleville ihmisille samat lämpöolosuhteet kuin sekoittavassa ilmanjaossa. Tämä perustuu siihen, että poistoilman lämpötila on suurempi huoneessa, jossa on lämpötilagradientti ja siihen, että vain oleskeluvyöhyke pidetään halutussa lämpötilassa. Alla olevassa kuvassa on esitetty syrjäyttävän ja kerrostavan ilmanjaon periaate. Kuvasta voidaan havaita, että huoneen yläosasta poistettavan ilman lämpötila ja epäpuhtauspitoisuus on kerrostavassa ilmanjaossa suurempi kuin sekoittavassa ilmanjaossa. Tutkimuksia lämpötilakerrostumisen vaikutuksesta jäähdytyksen energiankulutukseen ei juurikaan ole tehty. Tutkimukset ovat enimmäkseen keskittyneet syrjäyttävän ilmanjaon lämpöolosuhteisiin ja syntyvän gradientin tutkimiseen. Muutamia tutkimuk-

2 - 2 - sia, joissa jäähdytysenergiankulutusta on vertailu sekoittavassa ja syrjäyttävässä ilmanjaossa, on kuitenkin tehty. Jan Hensen /1/ on raportoinut tutkimuksessaan n. 10 % säästöä jäähdytysenergiassa vuositasolla, kun käytetään syrjäytysilmanvaihtoa sekoittavan ilmanjaon asemasta. Esimerkkilaskelmassa huoneessa ei ollut jäähdytyspalkkeja, joten raportoidut säästöt olivat ilmastointikoneella tapahtuvia. Tutkimuksessa on tutkittu laskennallisesti myös huoneen lämpötila-anturin korkeusaseman vaikutusta jäähdytysenergiankulutukseen. Perustapauksessa anturi oli sijoitettu 1,2 m:n korkeuteen. Kun anturia nostettiin 10 cm, niin jäähdytysenergiankulutus nousi 2 % ja puolestaan 10 cm matalammalla jäähdytysenergian kulutus laski 10 %. ASHRAE Transactionsissa julkaistussa tutkimuksessa on raportoitu jopa n. 60 %:n säästöjä toimistorakennuksen kokonaisjäähdytysenergiankulutuksessa, kun syrjäyttävää ilmanjakoa on verrattu sekoittavaan ilmanjakoon /2/. Suuren säästön selittää tutkimuksessa oletetun syrjäytysilmanvaihdon suuremman vapaajäähdytyksen hyödyntäminen ja kylmäkertoimen parantuminen. Vastaavasti puhallinenergiankulutus kasvoi, joten tutkimuksessa kokonaisenergiankulutus oli syrjäytysilmanjaossa vain hieman pienempi kuin sekoittavassa ilmanjaossa. Zhivov on tutkimuksessaan puolestaan vertaillut tyypillisen ravintolan jäähdytysenergiakulutuksia sekoittavalla ja syrjäyttävällä ilmanjaolla viidessä eri ilmastossa. Kylmässä ilmastossa (Minneapolis) vakioilmamääräisellä järjestelmällä syrjäytysilmanjaolla säästettiin 29 % jäähdytysenergiaa sekoittavaan ilmanjakoon verrattuna. Ilmamääräsääteisellä järjestelmällä voidaan joissakin tutkituissa ilmastoissa vähentää ta 50 % tai jopa luopua jäähdytyskoneesta kokonaan. /3/ Rehvan julkaisemassa syrjäytysilmanvaihdon suunnitteluohjeessa on esitetty, että syrjäytysilmanjaolla saadaan 30 % pienemmällä ilmamäärällä sama ilmanlaatu kuin sekoittavalla ilmanjaolla. Oppaan yhdessä laskentaesimerkissä on myös todettu, että samaan oleskeluvyöhykkeen lämpötilaan syrjäytysilmanvaihdolla päästään 4,5 C korkeammalla tuloilman lämpötilalla kuin sekoittavassa ilmanjaossa. Tämä tuloilman lämpötilan muutos lisää vapaajäähdytyksen käyttöä laskentaesimerkissä 55 päivällä. /4/ Vielä julkaisemattomien tutkimustulosten /5/ mukaan Softflow-teknologian uudella Wall Confluent Jets tekniikalla voidaan saavuttaa normaali toimistohuoneessa epäpuhtauksien poistotehokkuus 1,5 pienellä lämpökuormalla (35 W/m 2 ) ja suurella lämpökuormalla (60 W/m 2 ) 1,4. Kun täydellisen sekoittumisen epäpuhtauksien poistotehokkuus on 1, niin uudella tekniikalla voidaan saavuttaa sama epäpuhtauspitoisuus 28 % - 33 % pienemmillä ilmamäärillä kuin sekoittavalla ilmanjaolla vastaavissa tilanteissa. Lämpötilagradientin hyväksikäytössä on aina syytä muistaa, ettei termisiä olosuhteita ainakaan huononneta sekoittavaan ilmanjakoon verrattuna. Sisäilmastoluokitus sallii nilkan (0,1 m) ja niskan (1,1 m) välille S1-luokassa 2 C:en ja S2-luokassa 3 C:en lämpötilaeron. Samoin on syytä huolehtia, ettei paikallinen ilman nopeus ylitä sallittuja arvoja. /6/ Tässä artikkelissa esitetään lämpötilagradientin vaikutusta esimerkkikohteen IDA- Indoor Climate and Energy ohjelmistolla laskettuun jäähdytysenergiakulutukseen. Artikkelissa ei puututa siihen, miten lämpötilagradientti tuotetaan ja sen termisiin viihtyvyyteen.

3 - 3 - IDA-Indoor Climate and Energy -ohjelmisto Laskentaesimerkit on tehty IDA-Indoor Climate and Energy -ohjelmistolla, joka on tarkoitettu rakennusten sisäolosuhteiden, jäähdytys- ja lämmitystehojen sekä energiatarpeiden laskentaan /7/. Ohjelmisto on ruotsalaisen EQUA Ab:n tuote, jonka kehittämisessä TKK:n LVI-laboratorio on ollut voimakkaasti mukana. Ohjelmiston maahantuojana Suomessa toimii SIY Sisäilmatieto Oy, joka on täysin Sisäilmayhdistys ry:n omistama yritys. Yhtenä monien ominaisuuksiensa joukossa ohjelmistossa on täysin sekoittuneen huonemallin rinnalla malli, jolla voidaan joko syrjäytysilmanvaihdon tapauksessa laskea lineaarinen lämpötilagradientti tai antaa lämpötilagradientti, jossa se on muilla tavoilla tiedossa, esimerkiksi todettu laboratoriomittauksin. Laskentaesimerkit Ensimmäisessä laskentaesimerkissä on käytetty tyypillistä suomalaista etelään suunnattua 10 m 2 :n toimistohuonetta, jossa sisäisinä kuormina on kello 8-17 yksi ihminen, valaistus (12 W/m 2 ) sekä konekuormaa, joka vaihtelee 100:sta 400:aan W laskentatapauksesta riippuen. Ilmanvaihto on päällä kello 6-18, ilmanvaihdon määrä on 2 l/s m 2 ja tuloilman lämpötila on 16 C. Huoneessa on jäähdytyslaite, jonka avulla anturin mittaamaa sisälämpötila pidetään alle 26 C:en. Laskentaesimerkissä anturi on sijoitettu 1,4 m korkeuteen, joten istuvan ihmisen aistima lämpötila on hieman anturin mittamaa lämpötilaa alhaisempi. Toisessa laskentaesimerkissä on käytetty samaa laskentamallia, mutta parantuneen epäpuhtauksien poistotehokkuuden ansiosta käytettään 25 % pienempää ilmamäärää kuin sekoittavassa ilmanjaossa. Tulokset Taulukossa 1 on esitetty huoneessa olevan jäähdytyslaitteen käyttämä jäähdytysenergia kesän mitoittavan päivän osalta. Kuten taulukosta voidaan havaita, jäähdytysenergiaa säästyy sekoittavaan ilmanjakoon verrattuna % 1,5 C:een lämpötilagradientilla riippuen kuormien suuruudesta. Taulukossa 2 on esitetty sekä huoneessa että ilmastointikoneessa käytetty jäähdytysenergia kesän mitoittavan päivän osalta, kun kerrostavassa ilmanvaihdossa käytetään ilmamäärää 1,5 l/sm 2. Tuloksista voidaan havaita, että kerrostavalla ilmanjaolla saadaan sama ilman lämpötila 25 % pienemmällä ilmamäärällä ja yhtä suurella jäähdytysenergiankulutuksella verrattuna sekoittavaan ilmanjakoon.. Tässä tapauksessa saadaan puhallinenergiassa 25 % säästö. Tyypillisessä toimistorakennuksessa puhallinenergiakulutus on 30 % luokkaa koko rakennuksen sähköenergiakulutuksesta, joten kysymyksessä on merkittävä säästö. Jos toimistorakennuksen ilmanvaihdon käyntiaika on 12 h arkipäivinä ja puhaltimen paineenkorotus tulopuolella 800 Pa ja poistopuolella 600 Pa, puhallinenergiansäästö on vuodessa noin 3,5 kwh/m 2. Pienempi ilmamäärä tuo myös säästöjä pienempinä investointikustannuksina laitteissa ja järjestelmissä sekä pienentää tilantarvetta. Kerrostavassa ilmanjaossa saadaan myös säästöjä ilmanvaihdon lämmitysenergiassa, koska lämmitettävä ilmamäärä on pienempi ja koska ilmanvaihdon lämmöntalteenottolle tulevan poistoilman lämpötila on korkeampi kuin sekoittavassa ilmanjaossa.

4 - 4 - Taulukon 2 laskentaesimerkin mukaisessa tapauksessa ilmanvaihdon lämmitysenergiantarve pieneni 40 % pienemmän ilmamäärän ja yhden asteen lämpötilagradientin ansiosta. Esimerkkilaskelmassa yhden asteen muutos poistoilmalämpötilassa vaikuttaa lämmöntalteenoton vuosihyötysuhteeseen n. 2-3 %:ia. Tuloksia tarkasteltaessa täytyy muistaa myös, että istuvan ihmisen (painopiste 0,6 m) aistima lämpötila on alhaisempi kuin anturin mittaama lämpötila. Näin ollen laskentaesimerkissä 1 lämpöolosuhteisiin tyytymättömien osuus laskee sekoittavan ilmanjaon 15 %:sta 9 %:iin 1,5 C:een lämpötilagradientilla. Lämpötilakerrostumisen avulla saatua parannusta ilmanvaihdon hyötysuhteeseen ja tehokkuuteen ohjelmistolla ei voida simuloida. Taulukko 1. Lämpötilagradientin vaikutus jäähdytysenergiankulutukseen erilaisilla sisäisillä kuormilla. Lämpötilagradientti 100 W 250 W 400 W Sekoittunut 2,5 kwh 0 % 3,9 kwh 0 % 5,3 kwh 0 % 0,2 C /m 2,4 kwh 4 % 3,8 kwh 3 % 5,2 kwh 2 % 0,5 C /m 2,4 kwh 4 % 3,7 kwh 5 % 5,1 kwh 4 % 1,0 C/m 2,2 kwh 12 % 3,6 kwh 8 % 5,0 kwh 6 % 1,5 C/m 2,1 kwh 16 % 3,5kWh 10 % 4,8 kwh 9 % Taulukko 2. Lämpötilagradientin ja tarvittavan pienemmän ilmamäärän vaikutus jäähdytysenergiankulutukseen erilaisilla sisäisillä kuormilla. Lämpötilagradientti Jäähdytysenergiakulutus 100 W 250 W 400 W Sekoittunut (2 l/sm 2 ) 4,3 kwh 5,7 kwh 7,1 kwh 0,2 C /m (1,5 l/sm 2 ) 4,5 kwh 5,9 kwh 7,3 kwh 0,5 C /m (1,5 l/sm 2 ) 4,5 kwh 5,9 kwh 7,2 kwh 1,0 C/m (1,5 l/sm 2 ) 4,4 kwh 5,8 kwh 7,1 kwh 1,5 C/m (1,5 l/sm 2 ) 4,3 kwh 5,7 kwh 7,0 kwh

5 - 5 - Yhteenveto Aiemmat tehdyt tutkimukset sekä tässä artikkelissa esitetyt esimerkkilaskelmat tukevat olettamusta, että huoneeseen aikaansaadulla lämpötilakerrostumisella voidaan säästää jäähdytysenergiankulutusta lisäämällä vapaajäähdytyksen hyväksikäyttöä, parantamalla kylmäkerrointa ja pienentämään itse huoneessa tarvittavaa jäähdytystehoa. IDA Indoor Climate and Energy ohjelmistolla tehtyjen laskelmien valossa lämpötilagradientin hyväksikäytön säästöpotentiaali olisi lämpökuormista riippuen % huonelaitteiden käyttämästä jäähdytysenergiasta, kun lämpötilagradientti on alle sisäilmaluokan S1 salliman 2 C/m. Paremman epäpuhtauksien poistotehokkuuden ansiosta kerrostavassa ilmanjaossa voidaan käyttää pienempiä ilmamääriä kuin sekoittavassa ilmanjaossa. Tehdyssä esimerkkilaskelmassa kerrostavalla ilmanjaolla voidaan saavuttaa 40 % säästö ilmanvaihdon lämmitysenergiassa tarvittavan pienemmän ilmamäärän ja lämpötilakerrostumisen ansiosta. Samalla saavutetaan säästöjä investointikustannuksissa sekä tilantarpeissa. Lähteet /1/ Hensen, J.L.M. & Hamelinck, M.J.H "Energy simulation of displacement ventilation in offices" Building Services Engineering Research and Technology, Vol. 16, no. 2, pp /2/ Hu, S., Chen, Q., and Glicksman, L.R "Comparison of energy consumption between displacement and mixing ventilation systems for different U.S. buildings and climates" ASHRAE Transactions, 105(2), /3/ Zhivov, Alexander M. & Rymkevich, Adolf A Comparison of Heating and Cooling Energy Consumption by HVAC System with Mixing and Displacement Air Distribution for a Restaurant Dining Area in Different Climates ASH- RAE Transactions, 104(2), /4/ Displacement Ventilation in Non-industrial Premises (draft) Håkon Skistad (ed.), Elisabeth Mundt, Peter V. Nielsen, Kim Hagström, Jorma Railio. Rehva, Federation of European Heating and Air-Conditioning Associations. Trondheim. 95 s. /5/ Cho,Y., Awbi H.B., & Karipanah T.. The Application of Wall Confluent Jets for Ventilated Enclosures. Julkaisematon. /6/ Sisäilmayhdistys Sisäilmastoluokitus SIY julkaisu 5. Espoo. 32 s. /7/