Egy új módszer a levegőkezelő központok energiafelhasználásának a meghatározására
Kassai Miklós
Kassai Miklós okl. gépészmérnök, MSc. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék (e-mail:
[email protected])
1
1. Bevezető Magyarország energiafelhasználásának közel 40%-át a lakosság, illetve a lakosság által használt épületek (lakóépületek) energiafelhasználása adja. Ez az arány az Európai Unió tagállamaiban is hasonló, és ha figyelembe vesszük az iparban és a közlekedésben lévő hasonló rendeltetésű épületeket is (pl. irodák), ez az érték megközelíti az 50%-ot [1]. Ezen belül meghatározó hányadot jelent a klimatizálás energiafelhasználása. A kutatómunkában, melyet a BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszékén dolgoztunk ki Dr. Kajtár László egyetemi docens vezetésével, első szakaszában a szakirodalom feldolgozása mellett áttanulmányoztuk, hogy milyen hazai és nemzetközi rendeletek állnak jelenleg rendelkezésre a klímaközpontok energiafelhasználásának a meghatározására. Hazánkban 2007-ben jelentek meg a MSZ EN 15239 és a MSZ EN 15240 honosított rendeletek, melyek a légkondicionáló és szellőztető rendszerek ellenőrzéséhez adnak útmutatást, ezek elsősorban a beüzemelésre, és a már meglévő rendszerek üzemi paramétereinek a vizsgálatához nyújtanak segédleteket. Magyarországon 2008-ban jelent meg a 264/2008. (XI. 6.) Kormányrendelet, mely a hőtermelő berendezések és légkondicionáló rendszerek energetikai felülvizsgálatáról ad útmutatást, de a rendelet nem jelent egy, a teljes légkondicionáló rendszerre vonatkozó energetikai tanúsítást. Erik Reichert a doktori disszertációjában a Stuttgarti Egyetemen, Németországban kidolgozott egy módszert, melynek segítségével a levegőkezelő központok nettó energiafelhasználása számítható ki. A módszer a klímaközpontban lejátszódó levegő főbb állapotváltozási folyamatainak (nedvesítés, hűtés) megfelelően 4 db zónára osztja a Mollier-féle h-x diagramot, és az eljárással a vizsgált tér földrajzi fekvésének megfelelő statisztikai, meteorológiai adatbázis segítségével számolható ki a vizsgált klímaközpont energiafelhasználása. Ugyancsak Németországban, Bert Oschatz professzor úr vezetésével a Zittau/Görlitz Főiskolán dolgoztak ki egy módszert, amely a légtechnikai és a klímatechnikai rendszerek energiafelhasználásának a meghatározására ad útmutatást. A módszer alkalmazásakor adott klímaközpont típusok energiafelhasználásának a meghatározása során táblázatokban rögzített fajlagos energiafelhasználási értékeket ([Wh/m3h] dimenzióban) kell felhasználni, majd így havi bontásban van lehetőség a fűtési és a hűtési energiafelhasználását az adott klímaközpont esetében számítani. Claude-Alain Roulet kutatása során kidolgozott egy módszert a helyiségek fűtési és hűtési éves energiafelhasználásának a meghatározására, lakó- és nem lakóépületek esetén. A módszer a szellőzés éves energiaigényének a meghatározására is közöl méretező eljárást. A számítás elvégezhető havi bontásban is, ekkor a külső levegő hőmérsékletét az egyes hónapokra jellemző meteorológiai előfordulások várható értékével lehet figyelembe venni és számítani. A különböző országokban a kutatók által kidolgozott méretezési eljárásokat szabványokban is rögzítették: a VDI 2067 (Blatt 21) Erik Reichert munkája alapján, a DIN V 18599-7/3/5/10 Bert Oschatz professzor úr által vezetett kutatómunka alapján, a prEN ISO 13790 szabványtervezet Claude-Alain Roulet munkája szerint készült. Utóbbit az Európai Unió tagállamai közül Bulgária, Franciaország, Írország, Lengyelország, Magyarország, Szlovákia és Szlovénia is átvett, egyetértve és elfogadva a tervezetben közölt módszereket, eljárásokat, mely hazánkban 2008-ban lett honosítva és hatályba
2
léptetve MSZ EN ISO 13790:2008 néven. A klímaközpontok energiafelhasználása két módon határozható meg. Az üzemelő levegőkezelő központok esetén a tényleges fogyasztási adatok méréssel pontosan meghatározhatók. A 2002/91/EK direktíva és a vonatkozó hazai 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet alapján a tervezés fázisában is meg kell tudni határoznunk az épület várható éves energiafelhasználását. A kutatási téma aktualitását is mutatja, hogy a jelenleg rendelkezésre álló szakirodalmi méretező módszerek és adatok csupán a klímaközpontok energiafelhasználásának hozzávetőleges becslését teszik lehetővé. Nincsenek pontos, egyértelmű módszerek, a jelenlegi megoldások főbb célja elsősorban a minősítés, és nem veszik figyelembe a vizsgált klímaközpont beépítési körülményeit, tekintettel a kiszolgált tér igényére, annak hőmérlegére, hő- és nedvességterhelésére. A kutatómunkánkban a klímaközpontok valós energiafelhasználásának a meghatározására törekedtünk, melyhez az épületenergetikai kutatásokban már alkalmazott valószínűségelméleti módszert alkalmaztuk, mert ez az eljárás veszi figyelembe kellő pontossággal a külső légállapot változását az év során, mely változás határozza meg a legfőképpen épületeink és a bennük üzemelő épületgépészeti berendezések éves energiafogyasztását. A gyakorlatban előforduló jellegzetes felépítésű levegőkezelő központok energiafelhasználásának a meghatározásához új fizikai és matematikai modelleket dolgoztunk ki, melyhez a külső levegő hőmérséklet és entalpia tartamdiagramjait használtuk fel. A kutatómunkát a BME Kutatóegyetem Pályázata is támogatta. 2. A levegőkezelő központok energiafelhasználásának a meghatározása az új módszer alapján Tekintettel arra, hogy a levegőkezelő központok felépítése, és a bennük lejátszódó levegő állapotváltozási folyamat igen összetett, szükséges a folyamatot pontosan leíró fizikai és matematikai modellek kidolgozása. Kutatómunkánkban ennek a feladatnak a megoldását tűztük ki célul, amelyhez a klimatológiai kutatások során kidolgozott külső levegő hőmérséklet és entalpia tartamdiagramjait használtuk fel. A szakirodalomban megtalálható külső légállapot tartamdiagramjai [2] alapján végzett energetikai vizsgálatok amiatt kedvezőek a klímaközpontok energiafelhasználásának meghatározása szempontjából, mert kidolgozták őket havi, éves, fűtési és hűtési időszakra is vonatkoztatva, így megállapítható az olyan rendszerek energiafogyasztása is, melyek az üzemeltetésük módjából adódóan az évnek csak bizonyos szakaszában üzemelnek. A nappali és éjszakai (félnapi) bontás is megfigyelhető a tartamdiagramokon, így tovább pontosítható a csak nappali üzem esetén a 07-19 óra közötti, éjszakai üzem esetén a 1907 óra közötti, míg folyamatos üzemnél a 0-24 órás időintervallumok. Különböző időszakokra vonatkozó tartamdiagramokat szemléltet az 1. és a 2. ábra, melyeken megfigyelhető a nappali (07-19 óra közötti) és az éjszakai (19-07 óra közötti) időszakra történő bontás. Ezeket a diagramokat tartamdiagramoknak [3], hőmérséklet esetében hőfok-gyakorisági görbének, entalpia esetében, pedig hőtartalom-gyakorisági görbének [4] is nevezi a szakirodalom.
3
100
2188 2000
90
07...19 óra között 19...07 óra között
80 13...16
τ , óra
60
07...19
19...07
10...13
01...04 04...07
1000
70
16...19
19...22 22...01
50
07...10 40
Eloszlás, F, %
1500
30 500 a,
10...13
20
07...19
10
b, 0
0 -20 -16 -12 -10 -8 0 4
8 12 16 20 24 28 32 36 40
to , °C
1. ábra A külső levegő hőmérsékletének tartamdiagramja októbertől márciusig terjedő időszakban (Budapest 1964-1972 évek átlaga) [2] io , kcal/kg 0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 100
2000
90 19...07 óra között
07...19 óra között
19...22
1500
70
τ , óra
16...19 13...16
60 50
07...19
22...01
1000
80
19...07
40
10...13
Eloszlás, F, %
2196
01...04 30
04...07
10...13 a,
500 07...10
07...19 b, 0
0
10
20 30
40
50 60
20 10
0 70 80 90 100
io , kJ/kg
2. ábra A külső levegő entalpiájának tartamdiagramja áprilistól szeptemberig terjedő időszakban (Budapest 1964-1972 évek átlaga) [2] 4
A görbék egyes pontjaihoz rendelt számok az alapul vett időszak azon időtartamát jelölik, amelyben a külső levegő állapotát jellemző érték az adottnál kisebb, tehát a tartamdiagramok tetszőlegesen kiválasztott pontja megmutatja, hogy hány órán át, valamint a szóban forgó időtartam hány százalékában volt a kiválasztott értéknél alacsonyabb a külső levegő hőmérséklete, illetve entalpiája [2]. Kutatómunkánk elméleti alapjait a szakirodalom feldolgozása során szerzett információk is képezték, mi szerint az említett tartamdiagramok által meghatározott területek a légkezelés energiaigényével is arányosak [5, 6, 7]. Tanulmányozva azonban a témához kötődő hazai és nemzetközi kutatásokat és kutatási eredményeket azt tapasztaltuk, hogy csak olyan levegőkezelő központok energiafelhasználásának a meghatározására vonatkozó vizsgálatok állnak rendelkezésre, amelyek csak egy-egy levegőkezelő elemet tartalmaznak. Ennek megfelelően a 3. ábra vonalkázott területe a szellőző levegő felmelegítésének energiaigényével arányos területet mutatja [2].
07...19 óra között
Eloszlás, F, %
τ , óra
19...07 óra között
to , °C
3. ábra A kalorifer fűtőenergia-igényével arányos terület [2] A fűtési és hűtési energiafelhasználás meghatározásánál figyelembe kell venni, hogy a külső levegő állapota (hőmérséklet, nedvességtartalom és entalpia) a napi periódusidőnek megfelelően, évszakonként módosulva változik [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. A klímaközpontok energiafelhasználása a fűtés, a hűtés, a ventilátor és a szivattyú energiafelhasználásából tevődik össze [15, 16, 17]. Számításukat nagyon megnehezíti, hogy a levegőkezelő központok az év során elsősorban a változó külső időjárás, légállapot jellemzők miatt folyamatosan változó teljesítménnyel üzemelnek.
5
3 A kidolgozott módszer bemutatása A levegőkezelő központok általában befúvó és elszívó központokból állnak [18, 19, 20, 21]. Általános esetben, az épületeket friss levegővel ellátó, leggyakrabban üzemelő klímaközpontok elemei: Befúvó központ: - szűrő 1, - hővisszanyerő, - előfűtő, - visszakeverés, - adiabatikus nedvesítő, - utófűtő, - hűtő, - befúvó ventilátor, - szűrő 2, - gőzbeporlasztó. Elszívó központ: - ventilátor, - szűrő 3, - visszakeverés, - hővisszanyerő. A felsorolásban szereplő levegőkezelő elemekből építhető fel egy adott feladat esetében a levegőkezelő központ. A kutatómunkánk során a gyakorlatban üzemelő jellegzetes felépítésű levegőkezelő központok energiefalhasználásának a meghatározására a módszert kidolgoztuk. A kidolgozott méretező eljárást a könyv fejezetének terjedelmi korláta miatt egy frisslevegős klímaközpont esetében mutatjuk be. A klímaközpont felépítésére vonatkozó kapcsolási rajz a 4. ábrán látható. Az ábrán szereplő jelölések az alábbiak: EF : AN : H: UF : V: S: EZS:
Előfűtő, Adiabatikus nedvesítő kamra, Hűtőkalorifer, Utófűtő, Ventilátor, Szűrő, Esővédő zsalu.
6
EZS 2
V2
S3 T
B EZS 1 S 1
AN
EF KM
EF
H N
UF H
V1
S2
UF
SZ
4. ábra A frisslevegős klímaközpont kapcsolási vázlata Az energetikai számításoknál figyelembe kell venni a levegőkezelő elemek sorrendjét és a klímaközpontban lejátszódó levegő állapotváltozási folyamatokat. A klímaközpontok üzemeltetése során lejátszódó folyamatokat Mollier-féle h-x diagramban lehet szemléltetni a legjobban [22, 23, 24, 25]. Bizonyos paraméterek adottak, ilyen, pl. a külső levegő hőmérséklete és relatív nedvességtartalma a méretezési állapotban (tKM; ϕ KM), a klímaközpont által előállított, és a helyiségbe jutatott szellőző levegő, valamint a helyiségből távozó levegő paraméterei (tsz, ϕ sz; tT, ϕ T). A számítások elvégzéséhez tudnunk kell még a szellőző levegő térfogatáramát, a levegőkezelő központ egyes elemein áthaladó levegő sűrűségét, melyet a számítás egyszerűsítése érdekében gyakran a felfűtést vagy hűtést jellemző közepes hőmérsékletekhez (a kalorifer előtti és utáni levegő hőmérsékletek számtani középértékéhez) tartozó sűrűségértékeket szokás figyelembe venni (pl. 1,2 kg/m3), akárcsak a méretezés során. A fizikai és matematikai modellek kidolgozása során a távozó légállapotot azonosnak vettük a belső légállapottal (tB, ϕ B). Az energetikai elemzést nem befolyásolja a belső légállapot tényleges helyzete a szellőző és a távozó légállapotok között. A fűtési üzemet tekintve az adiabatikus nedvesítő kamrából kilépő levegő relatív nedvességtartalma a legtöbb klímaközpont esetén 95 %, bár ennek az értéke a porlasztás intenzitásától függ. Az energetikai számításhoz szükséges további adatok ismeretére már rendelkezésre áll a Mollier-féle h-x diagram. Adott légállapotokra vonatkozó folyamatábrát szemléltet az 5. ábra. Az ábrán látható méretezési állapotban az előfűtés folyamata („KM–EF” szakasz), az adiabatikus nedvesítés folyamata („EF–N” szakasz), majd az utófűtés folyamata („N–UF” szakasz), végül a helyiség hő- és nedvességterheléséből adódó, az állapotváltozás irányjelzőjének megfelelő helyiség átöblítése („UF–T” szakasz).
7
EF
30
1,16
25
UF=SZ
1,18 T=B
20 (°C)
1,2 60
15
1,22 50
Léghőmérséklet
N
10
1,24
5
1,26
0
1,28
40 30
∆h ∆x
20 ∆h UF
10
1,3
-5
1,32
-10
0
-2
∆hEF
1,34 +2
Mollier féle h-x diagram össznyomás 1000 mbar
0 h/
-15 1,36KM
x (k
0
1
2
)
0
nedvesség x (g/kg) -10 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 kg J/
-20
1,38
4
6
8
0
0 50
25 0
00
0 -50 00
-1 0
-20
-4000
-8000
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Parciális vízgőznyomás p (mbar) 10 75 00 0
5. ábra A levegő állapotváltozási folyamatok Mollier-féle h-x diagramban A fűtési és a hűtési energiafelhasználást a külső levegő hőmérsékletének és entalpiájának tartamdiagramjai alapján az alábbiak szerint határoztuk meg. A frisslevegős klímaközpont fűtési energiafelhasználásának a vizsgálatánál a külső levegő változása során az előfűtés az adiabatikus nedvesítés által meghatározott állandó entalpia vonalig történik, ennek következtében a külső levegő entalpia tartamdiagramját kell alkalmazni a fűtési energiafelhasználás meghatározásához. A szellőző levegő ilyen módú nedvesítését az adiabatikus nedvesítőkamra végzi, melyben a finom szemcsékké porlasztott vizet (pl. fúvókákkal) a légáramba juttatjuk, ahol az elpárologva gőz fázisba kerül. A fázisátalakuláshoz szükséges energiát a víz a levegőtől veszi fel, emiatt a levegő hőmérséklete érezhetően csökken [26]. A tartamdiagramon (6. ábra) is jól láthatók a fent említett légállapot paraméterek,
8
ennek megfelelően szerkeszthető ki a tartamdiagramon az egyes elemek (előfűtő, utófűtő) energiafelhasználásával arányos területek. A bemutatott ábrán azzal a közelítéssel éltem, hogy a szellőző és a távozó légállapotot is állandó állapotnak feltételeztem. Természetesen a szellőző légállapot változását is figyelembe lehet venni a fűtési idényben. A vizsgálataim során a fűtési és hűtési energiafelhasználás meghatározásakor a méretezési állapotoknak megfelelő szellőző és távozó légállapotokat, valamint a méretezési állapotnak megfelelő állapotváltozási irányjelzőket állandó értéknek vettem. Folyamatos üzemű (0-24 óra) levegőkezelő központ esetében a teljes időszakra vonatkozó tartamdiagramot kell használni, míg nappal vagy éjszaka (07-19 óra vagy 1907 óra között) üzemelő levegőkezelő esetében értelemszerűen a fél napra vonatkozó tartamdiagramot. h EF = h N h UF = h SZ 07...19 óra között
Eloszlás, F, %
100
τ tot
τ , óra
FK(h)
0 -20 h KM
UF EF
0 80
h, kJ/kg
6. ábra Az elő- és utófűtő energiafelhasználásával arányos területek a tartamdiagramon A 6. ábra a klímaközpont nappali (07-19 óra közötti) energiafelhasználásának a meghatározásához szükséges tartamdiagramot szemlélteti. A tartamdiagram abszcisszáján a méretezési állapothoz tartozó értékek is láthatóak. Az ábrán szereplő jelölések:
FK (h) [-] a külső levegő hőtartalom-gyakorisági görbéje, hKM [kJ/kg] a külső levegő entalpiája méretezési állapotban télen, hEF [kJ/kg] a levegő entalpiája az előfűtő után, mely azonos az adiabatikus nedvesítő kamrából kilépő levegő entalpiájával ( hN ), hUF [kJ/kg] a levegő entalpiája az utófűtő után, mely egyben a szellőző levegő entalpiája ( hSZ ) a téli fűtési esetet tekintve.
9
Ennek megfelelően határoztuk meg a frisslevegős klímaközpont esetén az egyes levegőkezelő elemek energiafelhasználásának a meghatározására vonatkozó matematikai és fizikai egyenleteket. Az előfűtő energiafelhasználása: hEF
QEF = ρ ⋅V&EF ⋅
∫ F (h)dh [kJ/év]
(15)
K
hKM
ahol: ρ [kg/m3] V&EF [m3/h]
a levegő sűrűsége, az előfűtőn átáramló levegő térfogatárama.
Az utófűtő energiafelhasználása: hUF
QUF
= ρ ⋅ V&UF ⋅ ∫ FK (h )dh [kJ/év]
(16)
hEF
ahol: V&UF [m3/h]
az utófűtőn átáramló levegő térfogatárama (frisslevegős klímaközpont esetén megegyezik az előfűtőn átáramló levegő térfogatáramával ( V&EF )).
Az integrál értékek az entalpia tartamdiagram esetén értelemszerűen [kJ ⋅ h / kg ] dimenzióban adódnak. A számítás során kapott eredmény így az energiafelhasználás mértékegységét, [kJ]-t eredményez. Attól függően, hogy havi vagy éves energiafelhasználást vizsgálunk az energiafelhasználást havi vagy éves időszakra vonatkoztatva kell értelmezni. Ennek megfelelően havi tartamdiagram használata esetén (adott hónap energiefelhasználásának vizsgálatakor a hozzá tartozó havi tartamdiagram felhasználásával) a kapott eredmény [kJ/hó] dimenziójú, éves energiafelhasználás vizsgálatakor, pedig a kapott eredmény mértékegysége [kJ/év]. A hűtési üzemet vizsgálva az eljárás menete hasonló (7. ábra). Általános esetben a klimatizálás során 1 db hűtőkalorifer hűti le a klímaközpontba beérkező levegőt [27, 28]. A külső méretezési légállapot ( t KM , ϕ KM , hKM ) nyáron a vonatkozó előírások szerint ismert. A hűtőkalolifer felületének a közepes hőmérséklete ( t FK ) a hűtővíz 7/12°C hőfoklépcsője esetén a kalorifer bordázata függvényében pontosan számolható, mely közel 11-13°C hőmérsékletű.
10
KM
30 1,16
25
1,18 SZ
20 (°C)
1,2 60
15
1,22 50
Léghőmérséklet
FK
10
1,24
5
1,26
0
1,28
∆h H
40 30 20 10
1,3
-5
0
1,32
-10
1,34 2 +
2
) kg J/ (k
0
1
x
0
h/
-20
1,38
Mollier féle h-x diagram össznyomás 1000 mbar
0
-15 1,36
nedvesség x (g/kg) -10 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 4
6
8
0
0 50
25 0
0 -5 0
00 - 10 00 -20
-4000
-8000
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Parciális vízgőznyomás p (mbar) 10 75 00 0
7. ábra A hűtés folyamata Mollier-féle h-x diagramban Az említett adatok ismeretében a hűtőkalorifer energiafelhasználásával arányos terület a tartamdiagramon szerkeszthető (8. ábra). Az éves hűtési energiafelhasználás meghatározásakor - tekintettel arra, hogy a hűtési folyamat során a hűtőkalorifer felületén nedvesség kiválás történik (a kalorifert körülvevő levegő nedvességtartalma a hőcserélő felületén kondenzálódik) - az áprilistól szeptemberig terjedő külső levegő entalpiájának tartamdiagramját kell alkalmazni.
11
h SZ
h KM
τ tot
τ , óra
H 07...19 óra között
FK (h)
0 100
0 0
Eloszlás, F, %
100
h, kJ/kg
8. ábra A hűtés energiafelhasználásával arányos terület az entalpia tartamdiagramon Az hűtőkalorifer energiafelhasználása: hKM
QH = ρ ⋅V&H ⋅
∫ [1 − F (h)]dh [kJ/év]
(17)
K
hSZ
ahol: V&H [m3/h] hSZ [kJ/kg]
a hűtőkaloriferen átáramló levegő térfogatárama, a szellőző levegő entalpiája.
A hűtési energiafelhasználás energiafelhasználása számítható:
WH =
ismeretében
a
kompresszorok
elektromos
QH [kJ/év] illetve [kWh/év] SEER
(18)
ahol: SEER [-]
a folyadékhűtő szezonális hűtési teljesítménytényezője [26 ,29].
A folyadékhűtő kompresszorának teljesítménytényezője a hűtési időszak során változik, mely változást szezonális átlagértékkel vehetjük.
12
4. Az eredmények A kutatómunkánk során összehasonlító energetikai elemzést végeztünk az általam kidolgozott új, valószínűségelméleti módszerrel történő energiafelhasználási módszer és a jelenleg rendelkezésre álló fontosabb nemzetközi gyakorlatban alkalmazott méretező eljárások között. Az elemzés során 3 különböző jellegzetes klímaközpont nettó fűtési és hűtési energiafelhasználásának az elemzését végeztük el. A számítások során a nappali energiafelhasználást vizsgáltunk, és a klímaközpontok által szállított szellőző levegő térfogatárama 3000 m3/h volt. Az energetikai értékelés során a Bert Oschatz szerinti módszer kivételével (tekintettel arra, hogy csak németországi meteorológiai adatokkal készült az eljárás) Budapestre vonatkozó meteorológiai értékekkel számoltam. Az egyes levegőkezelő központ elemeit az 1. táblázat szemlélteti. A táblázatban szereplő jelölések az alábbiak: HVH: Hőátvitelre alkamas hővisszanyerő, HVHN: Hő- és nedvességátvitelre alkamas hővisszanyerő, EF: Előfűtő, H: Hűtőkalorifer, AN: Adiabatikus nedvesítő kamra, G: Gőzbeporlasztó, UF: Utófűtő. Lev.kez.kp. HVH HVHN EF H AN G UF X X X X X 1. X X X X X 2. X X X X 3. 1. táblázat Az egyes levegőkezelő központok felépítése A nettó fűtési és hűtési hőenergia-felhasználás meghatározása során kapott eredményeket a 2. és 3. táblázat mutatja.
1. 2. 3.
QF [kWh/év] Valósz. elm. Erik Reichert Bert Oschatz Claude-Alain Roulet 15 080 8 514 26 899 15 667 17 150 12 435 28 158 24 927 34 264 42 648 38 865 2. táblázat A nettó fűtési energiafelhasználás
QH [kWh/év] Valósz. elm. Erik Reichert Bert Oschatz Claude-Alain Roulet 4 900 5 726 5 832 1. 4 773 4 900 5 412 2. 4 344 6 022 5 785 6 374 3. 5 873 3. táblázat A nettó hűtési energiafelhasználás
13
A táblázatokból is látható, hogy az egyes méretező eljárás által számított energiafelhasználás eltérő eredményt mutat, de minden vizsgált esetben a külföldi módszerek közül valamelyik eredmény az általunk kidolgozott módszerrel azonos. Az adiabatikus nedvesítő alkalmazása esetén adódott nagyobb energiafelhasználás, ami a mi módszerünk szerint. Véleményünk szerint a külföldi módszerek nem veszik figyelembe az adiabatikus nedvesítés miatti nagyobb előfűtő energiafelhasználását. Az eredmények különbőzőségének az oka még, hogy a jelenleg aktuális előírások az energiafelhasználást csupán az adott hónapra jellemző egyetlen meteolológiai átlagértékkel, átlag hőmérséklettel, átlag entalpiával jellemzik, szemben a valószínűségszámítási alapokon kidolgozott módszerrel, mely amellett, hogy egy hatékony méretező eljárás, jóval pontosabb értékeket eredményez. A kutatómunkánk során 3 db épületegyüttes energetikai jellemzőinek a meghatározását végeztük el a jelenleg érvényben lévő épületenergetikai méretező eljárás (7/2006. (V. 24.) TNM rendelet) alapján, valamint az általunk kidolgozott valószínűségelméleti módszerrel. Az épületekben összesen 30 db levegőkezelő központ üzemel, melyek energiafelhasználását határoztuk meg, és az így kapott eredményeket összevetettük a tényleges fogyasztási értékekkel. Így lehetőségünk volt az új kidolgozott elméleti módszer ellenőrzésére. A vizsgálatoknál alapul vett levegőkezelő központok nagy száma alapján (30 db) kijelenthető, hogy a valószínűségelméleti módszer eredményének a pontossága nagy biztonsággal ellenőrizhető volt, a legnagyobb eltérés a mért és a számított értékek között nem haladta meg a 11,7 %-ot.
5. Konklúzió A kidolgozott új valószínűségelméleti módszer alkalmas még különböző felépítésű klímaközpontok energetikai elemzésére, összehasonlítására, és az energiamegtakarítás vizsgálatára is. Az összehasonlító elemzésnél vizsgált klímaközpontok közül a 3. egy frisslevegős levegőkezelő központ. Ennek az energiafelhasználását összevetve az 1. jelű frisslevegős klímaközpont energiafelhasználásával, η = 60% hatásfokú hőviszanyerővel végezve a számítást, éves szinten az 1-es levegőkezelő központtal fűtési esetben 23 198 kWh (9. ábra), hűtési esetben 1 100 kWh (10. ábra) energia takarítható meg, mely közel 60% fűtési, és 19% hűtési energiamegtakarítást jelent a frisslevegős, hővisszanyerő nélküli esettel szemben. Hasonló módon a 2-es jelű klímaközponttal 10 707 kWh fűtési (19%) és 1 529 kWh hűtési energia (26%) takarítható meg éves szinten a frisslevegős levegőkezelő központ fogyasztásával szemben (9. és 10. ábrák). Ismerve az hővisszanyerő beruházási költségét és a jelenlegi energia árakat, a megtérülési idő is számítható.
14
[kWh/év]
25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0 1. LK: Fűtési energia- 2. LK: Fűtési energiamegtakarítás megtakarítás
[kWh/év]
9. ábra A fűtési energiamegtakarítás mértéke
1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0 1. LK: Hűtési energiamegtakarítás
2. LK: Hűtési energiamegtakarítás
10. ábra A hűtési energiamegtakarítás mértéke A bemutatott példa jól szemlélteti, hogy a kidolgozott, új módszer alapján lehetőség adódik a tervezés fázisában is összehasonlító energetikai elemzést végezni az épületgépész tervezőmérnök által kidolgozott különböző koncepciók esetében. Így értékelni lehet a beruházás költségét, az egyes energiamegtakarítási módszereket és azok által megtakarított energia mennyiségét. Az így kapott eredmények ma már nemcsak a tervezőmérnök számára fontosak, tekintettel az energiatudatos tervezésre és az épület energetikai tanúsítványának készítésére. A beruházó számára is elengedhetetlenül fontos adatok, hiszen az üzemeltetés költsége az, ami a legtöbb esetben meghatározza a bérleti költséget pl. egy irodaház esetében.
15
Jelölésjegyzék
FK (h) [-] hEF [kJ/kg]
a külső levegő hőtartalom-gyakorisági görbéje, a levegő entalpiája az előfűtő után, mely azonos az adiabatikus nedvesítő kamrából kilépő levegő entalpiájával ( hN ),
hUF [kJ/kg]
a levegő entalpiája az utófűtő után, mely egyben a szellőző levegő entalpiája ( hSZ ) a téli fűtési esetet tekintve,
hKM [kJ/kg] hSZ [kJ/kg] V&EF [m3/h] V& [m3/h] UF
V&H [m3/h] ρ [kg/m3] SEER [-]
a külső levegő entalpiája méretezési állapotban télen, a szellőző levegő entalpiája, az előfűtőn átáramló levegő térfogatárama, az utófűtőn átáramló levegő térfogatárama (frisslevegős klímaközpont esetén megegyezik az előfűtőn átáramló levegő térfogatáramával ( V&EF )), a hűtőkaloriferen átáramló levegő térfogatárama, a levegő sűrűsége, a folyadékhűtő szezonális hűtési teljesítménytényezője.
Felhasznált irodalom [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
Bánhidi László: Korszerű gyakorlati épületgépészet, Verlag Dashöfer Kiadó, Budapest, 7. rész 2.2. fejezet, 1. o. (2010). Kiss Róbert: Légtechnikai adatok, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, ISBN 963 10 3152 7, 197./207-208. o. (1980). Büki Gergely: Energetika, Műegyetem Kiadó, ISBN 963 420 533 X, 50-51.o. (19[7.) Homonnay Györgyné, Zöld András: Budapest hűtési hőfokhídjai, Épületgépészet XII. évf. 6.sz., 238-239.o., (1963). S. Ginestet, D. Marchio, O. Morisot: Evaluation of faults impacts on energy consumption and indoor air quality on an air handling unit, Energy and Buildings, ISSN 0378-7788, p. 52-54. (2008). Kajtár László, Kassai Miklós: Levegőkezelő központ energiafelhasználásának elemzése valószínűségelméleti módszerrel. Magyar Épületgépészet, HU ISSN 12159913, 2007/4. szám, 3-7 o. (2007) Peter G. Shild: Air to air recovery in ventilation systems, Air Infiltration and Ventilation Centre, Ventilation Information Paper, n° 6, p. 6-7. (2004). Kajtár László.: Klímatechnikai rendszerek energetikai, gazdasági elemzése valószínűségelméleti alapon, 17. Fűtés- és légtechnikai konferencia CD kiadvány. (2005). Kajtár László: Klímatechnika – komfort – energetika. Műszaki Kiadványok Fűtés-, hűtés- és klímatechnika XI. évf. 2008/171. 8-11p. Info-Prod Kiadó és Kereskedő Kft. Budapest, ISSN:1587-6853, ISSN: 1785-2307. (2008).
16
[10] Kajtár László - Szabó János: Üvegfelület hatása az épület energiaigényére. Bp. 2010. Magyar Installateur 2010/május 20 – 21. oldal. [11] Jens Pfafferott, Sebastian Herkel, Matthias Wambsganß: Design, monitoring and evaluation of a low energy office building with passive cooling by night ventilation, Energy and Buildings, ISSN 0378-7788, p. 458. (2004). [12] Melanie T. Fauchoux, Carey J. Simonson, David A. Torvi: The Effect of Energy Recovery on Perceived Air Quality, Energy Consumption, and the Economics of fan Office Building, ASHRAE Transactions, Volume 112, Part 2, ISSN 0001-2505, pp. 440. (2007). [13] Malcolm O., Nurul L., Ventilation modelling data guide, AIVC Guide 5, ISBN 2 9600355 2 6, p.10-11. (2002). [14] Kajtár László, Kassai Miklós.: Analysis of air treatment equipment using the probability theory. 14th Building Services, Mechanical and Building Industry Days, Debrecen, ISBN 978-963-473-124-5, pp. 127-134. (2008) [15] David V. Chadderton: Air conditioning, A practical introduction, ISBN 0 419 22610 9, p. 10. (1993). [16] Arthur A. Bell: HVAC Equations, Data, and Rules of Thumb, ISBN 978 0 07 148242, p. 455-458. (2008). [17] P. Jaboyedoff, C.-A. Roulet, V. Dorer, A. Weber, A. Pfeiffer: Energy in airhandling units - results of the AIRLESS - European Project, Energy and Buildings, pp. 391-399. (2004). [18] Recknagel, H.; Sprenger; Schramek, E.-R.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. 74. Auflage, München: R. Oldenbourg Verlag, ISBN 978-3-83563134-2, S. 1226./1498. (2009). [19] Bunse F.: Investitions- und Betriebskosten vom Klimaanlagen mit Wärmerückgewinnung, Ort, Verlag, Jahr: Karlsruhe, Müller, S.7., (1977). [20] Robert C. Rosaler: HVAC Maintenance and Operations Handbook, ISBN 0 07 052169 7, p. 319-320. (1997). [21] Mildred G.: ASHRAE Greenguide – the design construction and operation of sustainable buildings, ISBN 1 933742 07 0, ISBN 978 1 933742 07 6, p. 150. (2006). [22] W.P. Jones: Air Conditioning Engineering, ISBN 0 7506 5074 5, p. 62-67. (2001). [23] W.P. Jones: Air Conditioning Applications and Design, ISBN 0 340 64554 7, p. 5354. (1997). [24] Heinz Eickenhorst: Einführung in die Klimatechnik, Erläuterungen zum h-x Diagramm, ISBN 3 8027 2371 6, p.10. (1998). [25] Fred H., Roger G.: Building Services Handbook – Incorporating current building & Construction regulations, ISBN 13: 978 1 85617 626 2, p. 250-251. (2009). [26] Jakab Zoltán: Kompresszoros hűtés I., Magyar Mediprint Szakkiadó Kft., ISBN 963 8113 25 8, 177.o. [27] Peter S. Curtiss, Newton Breth: HVAC instant answers, ISBN 0 07 138701 3, p. 381-382. (2002). [28] S.N. Sapali: Refrigeration and Air Conditioning, ISBN 978 81 203 3360 4, p. 292293. (2009). [29] Carson Dunlop: Air conditioning & Heat Pumps, IL 60606-7481, p.126. (2003).
17
