Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad VLIV SPOTŘEBY ENERGIE NA POHON VENTILÁTORŮ NA ÚČINNOST ADIABATICKÉHO A VĚTRACÍHO CHLAZENÍ Ondřej Nehasil, Daniel Adamovský Laboratoř vnitřního prostředí, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Příspěvek prezentuje doplnění a zpřesnění autorem dříve prezentované případové studie chlazení budov větracím vzduchem a nepřímého vypařovacího chlazení. Příspěvek ukazuje zásadní vliv spotřeby energie na pohon ventilátorů na účinnost chlazení větracím vzduchem. SUMMARY The article contains additional development of previously published case study of ventilative cooling and indirect evaporative cooling. The article presents important influence of energy consumed by fans and cooling efficiency of ventilative cooling. ÚVOD V minulosti byla předložena případová studie využití chlazení větracím vzduchem a nepřímého vypařovacího chlazení v hlavní budově technické univerzity v Eindhovenu, která ukázala velký potenciál ve využití těchto alternativních zdrojů chladu. Studie byla založena na simulaci energetického chování zkoumané budovy a ukázala, že chlazení větracím vzduchem a nepřímé vypařovací chlazení může odvést většinu tepelné zátěže, která v budově během modelového roku vzniká. Aby tato studie získala vypovídací hodnotu, byla upřesněna a doplněna o rozšířenou simulaci, která zahrnuje i větrací vzduchotechnické jednotky a sleduje spotřebu energie na pohon ventilátorů. PŮVODNÍ STUDIE Studie publikovaná v [1] se opírala o model hlavní budovy Technické university v Eindhovenu (Obr. 1 - TU/e), vytvořený v programu TRNBuild a vyhodnocený v nástroji TRNSYS [2]. Pro svou velikost a pro vyloučení redundantních výsledků byla modelována jen dvě podlaží (Obr. 2), do kterých bylo vymodelováno 35 zón. Jednotlivé zóny se navzájem lišily velikostí, účelem, orientací ke světovým stranám, výškou a podobně, tak aby bylo podchyceno maximum případů a bylo možné zkoumat vlivy jednotlivých okrajových podmínek. Na modelu byly v rámci původní studie provedeny celkem čtyři simulace energetického chování během jednoho roku, a byla sledována spotřeba energie na vytápění a chlazení. 209
Obr. 1 Technická Univerzita v Eindhovenu Obr. 2 a) chodby; b) učebny; c) kanceláře; d) openspace; e) laboratoře; d) celý model Modelované varianty Case A - Referenční případ Byl modelován jako srovnávací varianta, regulace vytápění na 20 C, chlazení na 24 C. Case B - Adaptivní model tepelné pohody Znamenal v modelu regulaci vytápění a chlazení s ohledem na vývoj venkovních teplot, umožňující v nejteplejším období zvýšit teplotu chlazení i na vyšší hodnotu než 26 C. Case C - Chlazení větracím vzduchem Je varianta řízení VZT, kdy na základě porovnání teploty odsávaného vzduchu s teplotou vypočtenou jako komfortní dochází k řízení by-pasové klapky na výměníku ZZT a tím k regulaci teploty přiváděného vzduchu. Navíc, v případě že budova má tendenci se přehřívat a venkovní vzduch je dostatečně chladný, zvyšuje VZT svůj vzduchový výkon přibližně na 120% návrhového vzduchového množství. Case D - Nepřímé vypařovací chlazení Čtvrtá varianta zahrnuje nepřímé vypařovací chlazení jako nástroj, kterým je možné zvýšit účinek větracího chlazení a učinit jej tak použitelným i v době, kdy jsou venkovní teploty pro tradiční chlazení větracím vzduchem příliš vysoké. Výsledky Původní studie ukázala velký potenciál v chlazení větracím vzduchem, a vhodné doplnění tohoto chlazení i nepřímým vypařováním. Celková úspora energie na chlazení mezi první a čtvrtou variantou byla 84% (162 MWh), zatímco potřeba energie na vytápění vzrostla pouze o 7 MWh (Obr. 3). Nejistotou ve výsledku byly především zóny laboratoří, které měly nastaveny vysoké tepelné zátěže (ve vyhodnocení ponechány zvlášť) a skutečnost, že nebyla sledována energie na pohon ventilátorů. 210
Obr. 3 Syntetizované výsledky původní studie ROZŠÍŘENÍ STUDIE Pro upřesnění studie byl do výpočtu zaveden model VZT jednotek, které slouží pro výměnu vzduchu v budově a zajišťují tak chlazení větracím vzduchem i nepřímé vypařovací chlazení. Energie na pohon ventilátorů Protože model budovy i VZT jednotek je abstraktní, a není k dispozici projekt větrání, nejsou známy odběry ventilátorů a není ani možné je určit pomocí výpočtu tlakových ztrát. Proto byly jejich příkony odhadnuty podle očekávané hodnoty SFP. Ta byla vypočtena pro každou VZT jednotku zvlášť, podle odstavce 2.5 Doporučená hodnota měrného příkonu SFP v [3]. Pro SFP při plném zatížení bylo uvažováno, že budova má rovnotlaký systém větrání, rekuperaci, a je vybavena ventilátory s proměnnými otáčkami. Tím bylo určeno, že SFP v budově je 1 kw/m 3 s -1 pokud je v provozu rekuperace, a 0,83 kw/m 3 s -1 pokud se větrá s obtokem výměníku ZZT. Během simulovaného roku se mění průtoky vzduchu. Budova rozlišuje denní a noční provoz, stejně tak letní a zimní. V případě chlazení větracím vzduchem si jednotlivé zóny udávají svoje požadavky na množství vzduchu, a vzduchové množství se proto mění i spojitě. Se snižujícím se průtokem vzduchu klesají tlakové ztráty, a mění se zároveň účinnost ventilátoru. Všeobecně platí, že s klesajícím průtokem vzduchu klesá příkon ventilátoru, vzhledem k tomu, že čerpané tekutiny je menší množství. Klesá ale i měrný příkon ventilátoru vztažený na objemovou jednotku dopravovaného vzduchu, vzhledem k menším tlakovým ztrátám. Proto bylo SFP zavedeno do simulace jako proměnná. SFP při částečném zatížení je určeno pomocí funkce redukčního faktoru průtoku vzduchu (r) podle odstavce 2.2.3 SFP s proměnným průtokem vzduchu ve [4]. Ze čtyř dostupných křivek špatný, normální, dobrý a ideální byla vybrána třetí jmenovaná, tedy hodnota pro dobrý systém. Označení dobrý představuje systémy, u kterých tlak ventilátoru klesá s průtokem vzduchu. Patří sem nejlepší systémy s proměnným průtokem vzduchu, kde se otáčky ventilátoru regulují pomocí pohonů s frekvenčním měničem s pro ně typickým spínačem na obnovu 211
statického tlaku (SPR, známé také jako optimalizátor ). SPR se trvale snaží minimalizovat odpor potrubního systému tím, že zajistí, aby regulační klapky na aktuální kritické trase byly zcela otevřeny. [4] Model dále předpokládá, že energie na pohon ventilátoru se v konečném důsledku přenese do proudu čerpaného vzduchu v podobě tepla. t SFP (1) Kde: c V Δt je změna teploty vzduchu v důsledku přenosu energie ventilátoru [K] SFP je měrný příkon ventilátoru [kw/m 3 s -1 ] cv je objemová tepelná kapacita vzduchu [kj/m 3 K] Energie přívodního ventilátoru se tak v budově projeví jako dodatečná tepelná zátěž, nebo tepelný zisk v zimním období. Energie odvodního ventilátoru se projeví jako tepelná zátěž jen částečně a to tehdy, pokud se větrá přes výměník ZZT. Pokud se větrá s obtokem tohoto výměníku, pak je teplo z odtahového ventilátoru vyfouknuto ven z budovy. VÝSLEDKY I po zahrnutí energie na pohon ventilátorů se výsledky příliš neliší od výsledků původní simulace, jak ukazuje graf na Obr. 4. Mezi první a druhou variantou se neměnil objem větrání, větrá se vždy jen hygienická výměna vzduchu. Proto nedošlo ani k navýšení potřeby energie na pohon ventilátorů. U případů Case C a Case D je spotřeba energie více než dvojnásobná oproti původní hodnotě. Obr. 4 Syntetizované výsledky doplněné studie Zvýšená spotřeba energie na pohon ventilátorů je způsobena dvěma skutečnostmi: Chlazení větracím vzduchem pracuje i v noci, pokud se předpokládá pozitivní vliv na spotřebu energie na chlazení v následujícím dni. 212
Pokud je zóna chlazena větracím vzduchem, zvyšuje objem větracího vzduchu asi na 120% návrhové hodnoty. DISKUZE Aplikací chlazení větracím vzduchem a nepřímého vypařovacího chlazení došlo k úspoře 178 MWh na chlazení a k nárustu spotřeby tepla o 6 MWh. Teplo pro vytápění zajišťuje TU/e pomocí tepelných čerpadel s topným faktorem 5 až 6, můžeme tedy počítat s tím, že na vytápění spotřebujeme v případě Case D nejméně o 1 MWh elektrické energie více než v případě Case A. Spotřeba elektrické energie na pohon ventilátorů v Case D vzrostla oproti Case A o 37 MWh. Dohromady tedy budova v Case D spotřebuje o 37 + 1 = 38 MWh elektrické energie více. Aby bylo možné porovnávat ušetřený chlad a spotřebovanou elektřinu předpokládejme, že by elektřina mohla být použita k pohonu strojního chlazení s chladicím faktorem 3. Tedy, mohlo být vyrobeno 38 x 3 = 114 MWh chladu. Pro přehledné grafické porovnání můžeme tuto energii reprezentovat virtuálním chladem, který přidáme k potřebě dodatečného chladu pro budovu. Na Obr. 5 tak vidíme, že kdybychom elektrickou energii, kterou jsme spotřebovali navíc oproti Case A, použili pro strojní přípravu chladu, nezískali bychom tolik chladu, kolik jsme jej ušetřili použitím nízkoenergetického chlazení. Úspora ale není zdaleka tak markantní, jak se zdánlivě jevila, dokud pohonná energie pro ventilátory byla zanedbána. V případě jiných účinností strojní výroby chladu nebo ventilátorů a rozvodů vzduchu by se situace mohla změnit. Obr. 5 převod pohonné energie ventilátorů na virtuální chlad ZÁVĚR Upřesnění starší studie jasně prokázalo, že energie na pohon ventilátorů je v nízkoenergetickém chlazení klíčový parametr, a nelze jej zanedbávat. Započítáním tohoto parametru se sice nezamíchalo pořadím výhodnosti jednotlivých variant, ale rozdíly mezi jednotlivými variantami byly do velké míry setřeny. 213
LITERATURA [1] NEHASIL O. Chlazení budov větracím vzduchem a nepřímé vypařovací chlazení. 12. Letní škola TZB, Český Šternberk, 2014 [2] Thermal Energy System Specialists, LLC. TRNSYS Simulation Studio 17.01.0016 [software]. Listopad 2009. Dostupné z: www.trnsys.de. Požadavky na systém: Windows 2000 / ME / Windows XP / Vista nebo novější, 200 MB volného místa na disku, operační paměť 128 MB [3] SCHILD P.G., MYSEN M. Doporučení pro měrný příkon ventilátoru (SFP) a účinnost vzduchotechnických systémů II. In:www.tzb-info.cz [online]. Topinfo s.r.o., 2014 [vid. 14.9.2015]. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/vzduchotechnickazarizeni/11102-doporuceni-pro-merny-prikon-ventilatoru-sfp-a-ucinnostvzduchotechnickych-systemu-ii [4] SCHILD P.G., MYSEN M. Doporučení pro měrný příkon ventilátoru (SFP) a účinnost vzduchotechnických systémů I. In:www.tzb-info.cz [online]. Topinfo s.r.o., 2014 [vid. 14.9.2015]. Dostupné z: http://vetrani.tzb-info.cz/uspory-energie-vetraniklimatizace/11079-doporuceni-pro-merny-prikon-ventilatoru-sfp-a-ucinnostvzduchotechnickych-systemu-i Tato práce byla vytvořena za podpory projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 214