Development of mechanical ventilation system with low energy consumption for renovation of buildings

摘要

Der er behov for en general reduktion af det samlede energiforbrug på grund af den stigende bekymring for klima forandringer forårsaget af CO2-udledningen fra fossile brændsler. I 2004 udgjorde energiforbruget i bygninger cirka 40 % af det samlede energiforbrug i EU og USA og spiller derfor en afgørende rolle i at reducere af CO2-udledningen. I løbet af det sidste årti EU, nationale regeringer og interesseorganisationer har igangsat forskellige initiativer for at reducere energiforbruget i bygninger. Initiativerne har mest fokuseret på at forbedre de termiske egenskaber af klimaskærmen for at reducere varmetabet. Installationer herunder ventilation udgør derfor nu en større andel af det samlede energiforbrug. Gennem de sidste 50 år har mekanisk ventilation været det mest anvendte ventilationsprincip, men det konventionelle design behøver en revidering for at kunne overholde fremtidens krav til energiforbruget. Naturlig- og hybridventilationssystemer bliver i stigende grad installeret for at reducere energiforbruget, specielt elforbruget til ventilatorer i mekaniske anlæg, men disse systemer have andre mangler som højere ventilationsvarmetab. Imens er det begrænset hvad der blevet gjort for at forbedre mekanisk ventilation. Energiforbruget til mekanisk ventilation afhænger af volumenstrømmen, ventilator effektiviteten og tryktabet i systemet. Denne afhandling undersøger mulighederne og udvikler et koncept og komponenter til design af mekanisk lavtryksventilation. Hypotesen er at. En ny type mekanisk lavtryksventilation med forbedret indeklima og lavere energiforbrug kan udvikles ved at optimere og redesigne delkomponenterne i konventionel mekanisk ventilationsanlæg med hensyn til tryktab og udvikling af nye lavtrykskomponenter. Målet er at udvikle et mekanisk anlæg med en SEL-værdi på 0.5 kJ/m3 og varmegenindvindingsgrad på 85 % som kan opfylde gældende indeklima krav uden ubehag i form af termisk, akustisk eller træk gener. Konceptet var udviklet for et tempereret klima som i Danmark og formålet var at levere komfort ventilation året rundt og undgå over temperaturer ved øget luftskifte og natkøling. Det betyder at kun et anlæg skal installeres og brug af mekanisk køling kan undgås. Potentialet for at reducere tryktabet var undersøgt for hovedkomponenterne i et mekanisk ventilationsanlæg og de afgørende for komponenter for realisering af hypotesen blev identificeret. Det foreslåede anlæg består af elektrostatiske filtre, en ”over dimensioneret” varmeveksler for at reducere tryktab og øge virkningsgraden, diffust ventilationsloft til indblæsning og dynamisk trykstyring til regulering af luftmængderne til de enkelte rum. Undersøgelsen af hypotesen er rapporteret i fire videnskabelige artikler som er vedlagt afhandlingen, og afhandlingen sammenfatter resultaterne med supplerende diskussion samt et omfattende litteraturstudie.Konceptet er introduceret i artikel I og ydeevnen er evalueret gennem simuleringer af et forsøgsanlæg designet til en typisk kontorbygning. Alle komponenter var designet til at minimere tryktabet og dermed elforbruget til ventilatorer til at drive anlægget. Det samlede tryktab var 30-75 Pa afhængig af driftssituationen og den gennemsnitlige årlige var SEL-værdi 0.33 kJ/m3. Dette svarer til 10-15 % af elforbruget i konventionelle mekaniske ventilationsanlæg og kan dermed være med til at opfylde fremtidens energikrav for bygninger. Artikel II beskriver udviklingen af et dynamisk tryk (static pressure reset) styresystem med en ny type reguleringsspjæld. Ydeevnen af styresystemet var undersøgt i en forsøgsopstilling og målinger viste af den udviklede styrealgoritme og reguleringsspjældene var i stand til at regulere luftstrømmene præcist ned til 5 Pa tryktab. I artikel III er rapporteret resultaterne af en undersøgelserne af ydeevnen af diffust ventilationsloft installeret i et klasselokale. Undersøgelsen indeholdt bland andet sporgas målinger, lufthastighed og -temperatur og viste perfekt opblanding af indblæsningsluften uden nogen trækgener. Det diffuse ventilationsloft var en del af et mekanisk lavtryksventilationsanlæg som derudover bestod af et “overdimensioneret” aggregat and kanalsystem og en ny type reguleringsspjæld til at regulere de behovsstyrede luftstrømme. Ydeevnen af ventilationsanlægget med hensyn til indeklima, tryktab, energiforbrug og total økonomi er præsenteret i artikel IV. Anlægget var i stand til at opretholde et acceptabelt indeklima og det gennemsnitlige årlige SEL-værdi for anlægget var 0.61 kJ/m3. Total økonomi beregningerne viste at nogle af delkomponenterne var omkostningseffektive, men at total økonomien for hele anlægget var højere end for reference anlægget.I teoretiske beregninger og simuleringer var det muligt at opfylde påstandene i hypotesen og de opstillede mål. Det var dog ikke muligt at opnå samme niveau i praksis primært på af begrænsningerne ved de konventionelle løsninger brugt i forsøgsanlæggene. Konceptet og løsningerne udviklet kan dog bidrage til at gøre det muligt at designe mekaniske lavtryksventilationsanlæg i fremtiden.