LEKTORÁLT CIKK
Levegõkezelõ központok energiafelhasználásának elemzése hazai és külföldi eljárások alapján Dr. Kajtár László PhD1 – Kassai Miklós2 Abstract According to Directive 2002/91/EC on the energy performance of buildings (EPBD) it is important to determine the expected energy consumption of buildings in the designing phase. The existing national and international regulations are inadequate regarding methods to calculate the energy consumption of air handling units. The actual calculation methods are fairly inexact approximations producing a single procedure for the monthly energy consumption using average temperature or average enthalpy which only approximately take into account the changing of ambient air. A new calculation procedure was developed to provide a more accurate analysis of the energy consumption of air handling systems and to remedy the above mentioned inadequacies. The research work was supported by “Sustainable Energy Program” of BUTE Research University.
Bevezetés Magyarország energiafelhasználásának közel 40%-át az épületek energiafelhasználása adja. Ez az arány az Európai Unió tagállamaiban is hasonló, és ha figyelembe vesszük az iparban és a közlekedésben lévõ hasonló rendeltetésû épületeket is (pl. irodák), ez az érték megközelíti az 50%-ot. Ezen belül meghatározó hányadot jelent a klimatizálás energiafelhasználása. A fenntartható fejlõdés és a nemzetközi egyezmények (Kiotói Egyezmény) szempontjából fontos feladat a szén-dioxid-kibocsátás, valamint az energiafelhasználás csökkentése. A klímaközpontok energiafelhasználása két módon határozható meg. Az üzemelõ levegõkezelõ központok esetén a tényleges fogyasztás pontosan mérhetõ. 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 számítási módszerek és adatok csupán a klímaközpontok energiafelhasználásának hozzávetõleges becslését teszik lehetõvé. Magyarországon 2008-ban jelent meg a 264/2008. (XI. 6.) Kormány rendelet, mely a hõtermelõ berendezések és légkondicionáló rendszerek energetikai felülvizsgálatáról ad útmutatást, de a rendelet nem jelent egy, a teljes légkondicionáló rendszerre vonatkozó energetikai értékelést. Tekintettel arra, hogy a levegõkezelõ központok felépítése, és a bennük lejátszódó légállapot változási folyamatok 1
egyetemi docens, 2 okl. gépészmérnök, PhD hallgató BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék A cikket lektorálták: dr. Bánhidi László prof. emeritus (BME) és dr. Kontra Jenõ egyetemi tanár (BME). Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, 2010/12. szám
igen összetettek, olyan elméleti módon kidolgozott általános számítási módszer nem áll rendelkezésre, melynek segítségével a klímaközpontok éves energiafelhasználása jól számítható lenne. Az épületgépészeti berendezésekre vonatkozó méretezési és energetikai számításokat tekintve Európán belül Németország igen elõrehaladott, ennek ellenére a szakirodalomban, szabványokban (VDI 2067; DIN V 18599) csak adott esetekre vonatkozó, egyszerûsített számítási eljárások állnak rendelkezésre. Az Európai Szabványügyi Bizottság (CEN) 2005-ben kidolgozta a 2002/91/EK irányelv Európai Unió tagállamaiban történõ bevezetésének a támogatására a prEN ISO 13790 nevû szabványtervezetet, amelyet Bulgária, Franciaország, Írország, Lengyelország, Magyarország, Szlovákia és Szlovénia is átvett, egyetértve és elfogadva a tervezetben közölt számítási módszereket, eljárásokat. Hazánkban 2008-ban lépett hatályba, MSZ EN ISO 13790:2008 néven, mely szabvány a szellõzés éves energiaigényének a meghatározására közöl útmutatást, azonban ez egy meglehetõsen egyszerûsített számítási eljárást tesz lehetõvé, ugyanis az energiafelhasználást a külsõ hõmérséklet havi középértékével jellemzi. Nem veszi figyelembe a különbözõ levegõnedvesítési módokat, valamint a VDI 2067-hez hasonlóan nem veszi figyelembe az olyan felépítésû klímaközpontokat, amelyek hõ-és nedvesség átvitelére alkalmas hõvisszanyerõ berendezéssel üzemelnek. Az amerikai elõírások (ASHRAE) elsõsorban az épületgépészeti rendszerek méretezésére vonatkozó számítási módszereket közölnek. A klímaközpontokban üzemelõ hõvisszanyerõ berendezésre vonatkozó energiahatékonysági vizsgálatok vannak ugyan, de olyan számítási eljárás, amely a levegõkezelõ központ éves energiafelhasználását komplex módon határozná meg, nem található. A kutatómunkát a BME Kutatóegyetem „Fenntartható energetika” programja támogatta.
Az új valószínûségelméleti módszer alkalmazása A Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszékén folytatott kutatómunka keretében dolgoztunk ki a levegõkezelõ központok energiafelhasználásának a meghatározásához új, valószínûségelméleti alapokon nyugvó módszert. Ennek az energetikai elemzõ és méretezõ eljárásnak az elméleti alapjait részletesen ismertettük több szakmai folyóiratban, köztük a Magyar Épületgépészet 2007/4. számában.
3
LEKTORÁLT CIKK
A méretezési eljáráshoz számítógépes szimulációs programot dolgoztunk ki. Különbözõ energetikai megbízási munkák keretében alkalmaztuk módszerünket. Meglévõ, üzemelõ épületek esetében a tényleges, mért fogyasztási adatok felhasználásával ellenõrizhettük elemzõ módszerünk pontosságát (Magyar Épületgépészet, 2008/7-8. szám). Az új módszer lényege úgy fogalmazható meg, hogy a vizsgált idõszakra vonatkozó külsõ légállapot eloszlásfüggvények alatti vagy feletti megfelelõ területrészek arányosak egy-egy levegõkezelõ elem energiafelhasználásával. Kutatómunkánk elméleti alapjainak a kidolgozásakor a szakirodalomban szerzett ismereteket és a tanszékünkön korábban végzett kutatások eredményeit is felhasználtuk [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Tanulmányozva azonban a témához kötõdõ hazai és nemzetközi kutatásokat és kutatási eredményeket, azt tapasztaltuk, hogy csak olyan levegõkezelõ központok energiafelhasználásának a meghatározására vonatkozó vizsgálatok állnak rendelkezésre, amelyek csak egy-egy légkezelõ elemet tartalmaznak. A külsõ levegõ hõmérsékletének és entalpiájának eloszlásfüggvényei által meghatározott hõvisszanyerõvel megtakarított energiamennyiség vizsgálatára a nemzetközi irodalomban is találni eredményeket, de tekintettel arra, hogy a levegõkezelõ központok felépítése, és a bennük lejátszódó légállapot változási folyamatok igen összetettek, olyan elméleti alapokon kidolgozott általános számítási módszer jelenleg nem áll rendelkezésre, melynek segítségével a klímaközpontok éves energiafelhasználása jól és megfelelõ pontossággal számolható lenne. Az általunk kidolgozott számítási módszert egy frisslevegõs klímaközpont esetében mutatjuk be és hasonlítjuk össze külföldi eljárások eredményeivel.
Téli esetet tekintve, az adiabatikus nedvesítõ kamrából kilépõ levegõ relatív nedvességtartalma az épületeket ellátó legtöbb klímaközpont esetén 95%, bár ennek az értéke a porlasztás intenzitásától függ. Az energetikai számításhoz szükséges további adatok ismeretére már rendelkezésre áll a Mollierféle h-x diagram. Adott légállapotokra vonatkozó folyamatábrát szemléltet az 1. ábra. Az ábrán látható méretezési állapotban az elõfûtés folyamata („KM–EF” szakasz), az adiabatikus nedvesítés folyamata („EF–N” szakasz), majd az utófûtés folyamata („N–UF” szakasz), végül a helyiség hõ- és nedvességterhelésébõl adódó, az állapotváltozási irányjelzõnek megfelelõ helyiség átöblítése („UF–T” szakasz).
Frisslevegõs levegõkezelõ központ fûtési és hûtési energiafelhasználásának elemzése valószínûségelméleti alapon A klímaközpontban a levegõ áramlási irányát tekintve az alábbi levegõkezelõ elemek találhatók: elõfûtõ, adiabatikus nedvesítõ kamra, hûtõkalorifer, utófûtõ, ventilátor. Az energetikai számításoknál figyelembe kell venni a levegõkezelõ elemek sorrendjét és a klímaközpontban lejátszódó levegõ állapotváltozási folyamatokat. A klímaközpontok üzemeltetése során lejátszódó folyamatokat Mollier-féle h-x diagramban lehet szemléltetni a legjobban [7, 8]. Bizonyos paraméterek adottak, ilyen például a külsõ levegõ hõmérséklete és relatív nedvességtartalma a méretezési állapotban (tKM; ϕKM), a klímaközpont által elõállított, és a helyiségbe jutatott szellõzõ levegõ, valamint a helyiségbõl távozó levegõ paraméterei (tsz, ϕsz; tT; ϕT). A számítások elvégzéséhez tudnunk kell még a szellõzõ levegõ térfogatáramát, a levegõkezelõ központ egyes elemein áthaladó levegõ sûrûségét, amelyet a számítás egyszerûsítése érdekében gyakran a 20 °C-os levegõhöz tartozó 1,2 kg/m3 értékekkel lehet figyelembe venni. A fizikai és matematikai modellek kidolgozása során a távozó légállapotot azonosnak vettük a belsõ légállapottal (tB; ϕB). Az energetikai elemzést nem befolyásolja a belsõ légállapot tényleges helyzete a szellõzõ és a távozó légállapotok között. 4
1. ábra. A levegõ állapotváltozási folyamatok Mollier-féle h-x diagramban A fûtési és a hûtési energiafelhasználás a külsõ levegõ hõmérsékletének és entalpiájának eloszlásfüggvényei alapján határozhatók meg. A frisslevegõs klímaközpont fûtési energiafelhasználásának a vizsgálatánál a külsõ levegõ változása során az elõfûtés az adiabatikus nedvesítés által meghatározott állandó entalpiavonalig történik, ennek következtében a külsõ levegõ entalpia eloszlásfüggvényét kell alkalmazni a fûtési energiafelhasználás meghatározásához. A szellõzõ levegõ nedvesítését az adiabatikus nedvesítõ kamra végzi, amelyben a finom szemcsékké porlasztott vizet (pl. fúvókákkal) a légáramba juttatjuk, ahol az elpárologva gõz fázisba kerül. A fázisátalakuláshoz szükséges energiát a víz a levegõtõl veszi fel, emiatt a levegõ érezhetõen lehûl [9, 10]. Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, 2010/12. szám
LEKTORÁLT CIKK
Az eloszlásfüggvényen (2. ábra) is jól láthatók a fent említett légállapot paraméterek, valamint az egyes elemek (elõfûtõ, utófûtõ) energiafelhasználásával arányos területek. Ennek megfelelõen szerkeszthetõk meg az eloszlásfüggvényen az egyes elemekhez (elõfûtõ, utófûtõ) tartozó területek. A bemutatott ábrán azzal a közelítéssel éltünk, hogy a szellõzõ és a távozó légállapotot is állandó állapotnak feltételeztük. Természetesen a szellõzõ légállapot változását is figyelembe tudjuk venni a fûtési idényben. A cikkben szereplõ esetben a fûtési és hûtési energiafelhasználás meghatározásakor a méretezési állapotoknak megfelelõ szellõzõ és távozó légállapotokat, valamint a méretezési állapotoknak megfelelõ állapotváltozási irányjelzõt állandó értéknek vettük. Folyamatos üzemû (0-24 óra) levegõkezelõ központ esetében a teljes idõszakra vonatkozó eloszlásfüggvényt kell használni, míg a fél napig (07-19 óra vagy 19-07 óra között) üzemelõ levegõkezelõ esetében értelemszerûen a fél napra vonatkozó eloszlásfüggvényt.
Ennek megfelelõen az eloszlásfüggvények alatti területek integrálásával határoztuk meg a frisslevegõs klímaközpont esetén az egyes légkezelõ elemek energiafelhasználását. Az integrálértékek az entalpiaeloszlás esetén értelemszerûen [kJ/kg·h] mértékegységben értendõk. Az energetikai elemzés során kapott eredmény így az energiafelhasználás mértékegységét, [kJ]-t eredményezi. Nyári esetet vizsgálva, az eljárás menete hasonló (3. ábra). Annyiban egyszerûsödik a folyamat, hogy a klimatizálás során 1 db hûtõkalorifer hûti le a klímaközpontba beérkezõ levegõt [11, 12]. A külsõ méretezési légállapot (tKM, ϕKM, hKM) nyáron a vonatkozó elõírások szerint ismert. A hûtõkalorifer felületének a közepes hõmérséklete (tFK) a hûtõvíz 7/12 °C hõfoklépcsõje esetén a kalorifer bordázata függvényében határozható meg.
hEF = hN hUF = hSZ
τtot
100 19…07 óra között 07…19 óra között
EF
0 -20
hKM
hT
0 80
h, kJ/kg
2. ábra. Az elõ- és utófûtõ energiafelhasználásának a meghatározásához tartozó területek az eloszlásfüggvényen A 2. ábra a klímaközpont nappali (07-19 óra közötti) energiafelhasználásának a meghatározásához szükséges eloszlásfüggvényt szemlélteti. Az eloszlásfüggvény abszcisszáján a méretezési állapothoz tartozó értékek is láthatóak. Az ábrán szereplõ jelölések: FK (h): a külsõ levegõ entalpiájának az eloszlásfüggvénye, hKM [kJ/kg]: a külsõ levegõ entalpiája méretezési állapotban télen, hEF [kJ/kg]: a levegõ entalpiája az elõfûtõ után, amely azonos az adiabatikus nedvesítõ kamrából kilépõ levegõ entalpiájával (hN), hUF [kJ/kg]: a levegõ entalpiája az utófûtõ után, amely egyben a szellõzõ levegõ entalpiája ((hSZ), hT [kJ/kg]:a távozó levegõ entalpiája. Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, 2010/12. szám
3. ábra. A hûtés folyamata Mollier-féle h-x diagramban Az említett adatok ismeretében a hûtõkalorifer energiafelhasználásával arányos terület az eloszlásfüggvényben szerkeszthetõ (4. ábra). Az éves hûtési energiafelhasználás meghatározásakor, tekintettel arra, hogy a hûtési folyamat során a hûtõkalorifer felületén nedvesség válik ki (a kalorifert körülvevõ levegõ nedvességtartalma a hõcserélõ felületén részben kondenzálódik), az áprilistól szeptemberig terjedõ külsõ levegõ entalpiájának eloszlásfüggvényét kell alkalmazni. hSZ
hKM
τtot
100
H
FK(h)
0 0
Eloszlás, F, %
UF
τ, óra
Eloszlás, F, %
τ, óra
FK(h)
07…19 óra között
h, kJ/kg
0 100
4. ábra. A hûtés folyamata az entalpia eloszlásfüggvényen 5
LEKTORÁLT CIKK
A kidolgozott új méretezési eljárás összevetése a nemzetközi gyakorlatban alkalmazott módszerekkel A VDI 2067 szerinti számítási eljárás A VDI 2067 (Blatt 21) számú szabvány segítségével a levegõkezelõ központok nettó energiafelhasználása számítható ki. A klímaközpontban lejátszódó levegõ fõbb állapotváltozási folyamatainak (nedvesítés, hûtés) megfelelõen 4 db zónára osztja a Mollier-féle h-x diagramot (5. ábra), és a VDI 4710 szabványban közölt, a vizsgált tér földrajzi fekvésének megfelelõ statisztikai, meteorológiai adatbázis segítségével számolható ki a vizsgált klímaközpont energiafelhasználása. Nedvesítés
Nincs nedvesség változás
Szárítás
Az (1) egyenleten látható, hogy az energiafelhasználás számítása ily módon nem veszi figyelembe a külsõ légállapot változását a fûtési szezon során, hanem azt egyetlen légállapottal (hAU(Ia); ϑAU(Ia)) jellemzi, mely csak hozzávetõleges becslést eredményez. A VDI szerinti számítás csak az éves energiafelhasználását számolja a levegõkezelõ központoknak, annak ellenére, hogy egyes klímaközpontok az üzemeltetésük módjától adódóan az év csak bizonyos szakaszaiban mûködnek. Nem veszi számításba továbbá az olyan felépítésû klímaközpontokat, amelyek hõ- és nedvesség átvitelére alkalmas hõvisszanyerõ berendezéssel üzemelnek. A VDI hátránya még, hogy csak a levegõkezelõ központok nettó energiafelhasználására tér ki, és nem ad útmutatást a klímaközpont segédenergia fogyasztására, ezzel együtt a primer energiafelhasználásra sem.
A DIN V 18599 szerinti számítási eljárás Németországban 2007-ben jelent meg a DIN V 18599 nevû szabvány, amely 10 fejezetbõl áll. A légtechnikai és a klímatechnikai rendszerek energiafelhasználásának a számítására a DIN V 18599-7/3/5/10 ad útmutatást. Ezzel a számítási módszerrel a segédenergia fogyasztás számolható ugyan, ennek az eljárásnak a hátránya viszont, hogy csak bizonyos, a szabványban szereplõ levegõkezelõ központ típusok energiafelhasználása számolható, ami korlátozást jelent a gyakorlatban elõforduló és üzemelõ klímaközpontokkal szemben. 5. ábra. Az egyes zónák a VDI szerint [13] Ennek a számítási eljárásnak az a hátránya, hogy a statisztikai módon kiértékelt meteorológiai adatok (hõmérséklet, entalpia) az egyes zónákat egyetlen átlagértékkel jellemzik (a külsõ levegõ hõmérsékletének, entalpiájának az adott zónára vonatkozó átlaga), mely azt eredményezi, hogy a klímaközpont energiafelhasználásának a számítását csak hozzávetõleges becsléssel lehet értékelni. Adiabatikus nedvesítéssel üzemelõ klímaközpont esetén az elõírás szerint az elõfûtõ energiafelhasználását az alábbi módon lehet számítani: Az elõfûtõ energiafelhasználása az Ia zónában [13]:
Q1, VE(Ia) = m& 1,L ⋅ t (Ia) ⋅ [hB − u ⋅ hAB,u − − (1 − u ) ⋅ (h AU(Ia) + c p,L ⋅ Φ ⋅ (ϑ AB,u − ϑ AU(Ia) ))] , [kWh/év] (1) ahol: m1,L [kg/s] – a rendszeren átáramló levegõ tömegárama, t(1a) [h/év] – a klímaközpont üzemideje, hB [kJ/kg] – az adiabatikus nedvesítés entalpiája, u [-] – a visszakeverési arány (keverés esetén), hAB,u [kJ/kg] – a távozó levegõ entalpiája, hAU(Ia) [kJ/kg] – a külsõ levegõ entalpiájának átlagértéke az Ia zónában cp,L [kJ/kgK] – a levegõ állandó nyomáson mért fajhõje, Φ [-] – a hõvisszanyerõ megvalósulási foka, ϑAB,u [°C] – a távozó levegõ hõmérséklete, ϑAU(Ia) [°C] – a külsõ levegõ hõmérsékletének átlagértéke az Ia zónában. 6
Az DIN szerinti számítási eljárás további hátránya, hogy az adott klímaközpont-típusok energiafelhasználásának a meghatározása során táblázatokban rögzített fajlagos energiafelhasználási értékeket kell kiolvasni, majd így havi bontásban van lehetõség a fûtési és a hûtési energiafelhasználás számítására az adott klímaközpont esetében. A fajlagos energiafelhasználási értékek [Wh/m3h] mértékegységben szerepelnek a táblázatokban, melyek azonban a földrajzi fekvéstõl függetlenül veszik figyelembe a külsõ légállapot átlagát az év során. A fûtõkalorifer nettó fûtési energiafelhasználása [14]:
Qh ∗,b = Qvh,b + Qvh,ce + Qvh,d , [kWh/hó]
(2)
ahol: Qvh,b [kWh] – a fûtés nettó energiaigénye, Qvh,ce [kWh] – a légvezetés hõvesztesége („Wärmeverluste der Luftführung”), Qvh,d [kWh] – a hõelosztás vesztesége. A fûtés nettó energiaigénye [14]:
Qvh,b = qH,m ⋅ V&mech,m , ahol: qH,m [Wh/(m3/h)] V& mech,m [m3/h]
[kWh/hó]
(3)
– a fûtés fajlagos nettó energiaigénye, – a szellõzõlevegõ térfogatárama.
A légvezetés hõvesztesége [14]:
Qvh,ce = (1 − ηvh,ce ) ⋅ Qvh,b , ahol:
vh,ce
[kWh/hó]
(4)
– a hõátadás hatásfoka a helyiségen belül („der Nutzungsgrad Wärmeübergabe an den Raum”).
Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, 2010/12. szám
LEKTORÁLT CIKK
Az elosztóhálózatok hõvesztesége [14]:
Qvh,d = f vh,d ⋅ AK,A ⋅ t h ∗,op,mth / 1000 , [kWh/hó] ahol: fvh,d [W/m2] AK,A [m2] th*,op,mth [h]
(5)
– a levegõelosztás hõveszteségi tényezõje, – a légcsatorna felülete az épületen kívül, – a levegõkezelõ központ fûtõkaloriferjének üzemideje a vizsgált hónapban.
A számítás elvégezhetõ havi bontásban is, ekkor a külsõ levegõ hõmérsékletét az egyes hónapokra jellemzõ meteorológiai elõfordulások várható értékével lehet figyelembe venni és számítani. Ennek az eljárásnak az a hátránya, hogy nem veszi figyelembe a különbözõ levegõnedvesítési módokat, valamint a VDI 2067-hez hasonlóan nem veszi figyelembe az olyan felépítésû klímaközpontokat, amelyek hõ és nedvesség átvitelére alkalmas hõvisszanyerõ berendezéssel üzemelnek.
A hûtõkalorifer energiafelhasználásának a meghatározása a szabvány szerint hasonló módon történik. Az eljárás további hátránya, hogy a táblázatos módszer meglehetõsen hosszadalmassá teszi a számítás menetét.
MSZ EN ISO 13790:2008 szerinti számítási eljárás A 2002/91/EK épületenergetikai irányelv megjelenése óta az Európai Szabványügyi Bizottság (CEN) különbözõ szabványtervezeteket dolgozott ki az irányelv EU tagországaiban történõ bevezetésének támogatására [15]. A prEN ISO 13790 nevû szabványtervezetet 2005-ben jelent meg, amelyet az Európai Unió tagállamai közül Bulgária, Franciaország, Írország, Lengyelország, Magyarország, Szlovákia és Szlovénia is átvett, egyetértve és elfogadva a tervezetben közölt számítási módszereket, eljárásokat. Hazánkban 2008-ban fogadták el és lépett hatályba MSZ EN ISO 13790:2008 néven, mely szabvány helyiségek fûtési és hûtési éves energiafelhasználásának a meghatározására ad útmutatást, lakó- és nem lakóépületek esetén. A szellõzés éves energiaigényének a meghatározására is közöl számítási módszert, azonban ez egy meglehetõsen egyszerûsített számítási eljárást tesz lehetõvé.
Összefoglalás Összevetés, értékelés A kutatómunkánk során összehasonlító elemzést végeztünk az általunk kidolgozott valószínûségelméleti módszer és a jelenleg rendelkezésre álló fontosabb nemzetközi elõírások által közölt számítási eljárások között. Az elemzés során 3 db klímaközpont nettó fûtési és hûtési energiafelhasználásának az elemzését végeztük el. A számítások során nappali energiafelhasználást vizsgáltunk, és a klímaközpontok által szállított szellõzõ levegõ térfogatárama 3000 m3/h volt. Az energetikai értékelés során Budapestre vonatkozó meteorológiai értékekkel számoltunk. Az egyes levegõkezelõ központ elemeit az 1. táblázat szemlélteti. A táblázatban szereplõ jelölések az alábbiak: HVH : hõátvitelre alkalmas hõvisszanyerõ, HVHN: hõ- és nedvességátvitelre alkalmas hõvisszanyerõ, EF: elõfûtõ, H: hûtõkalorifer, AN: adiabatikus nedvesítõkamra, G: gõzbeporlasztó, UF: utófûtõ 1. táblázat. Az egyes levegõkezelõ központok felépítése Lev. kez. kp.
HVH
1.
X
A szellõzés fûtési energiafelhasználása [16]:
Qve = H ve,adj ⋅ (θ int,set,H,z − θ e ) ⋅ t [MJ/év]; [kWh/év]
(6)
Qve = H ve,adj ⋅ (θint,set,C,z − θe ) ⋅ t , [MJ/év]; [kWh/év]
3.
(7)
ahol: Hve,adj [J/Ks] – a szellõzés teljes hõszállítási tényezõje („the overall heat transfer coefficient by ventilation”), int,set,H,z [°C] – a helyiségben tartani kívánt belsõ levegõ hõmérséklete fûtés esetén, int,set,C,z [°C] – a helyiségben tartani kívánt belsõ levegõ hõmérséklete klimatizálás esetén, [°C] – a külsõ levegõ hõmérséklete, e t [Ms] – a vizsgált üzemidõ alatt eltelt idõszak, megamásodpercben (lásd a szabvány F Mellékletét). A szellõzés teljes hõszállítási tényezõje [16]:
H ve,adj = ρa ⋅ ca ⋅ (∑k bvek ⋅ qve,k,mn ) , [J/Ks]
X
2.
A szellõzés hûtési energiafelhasználása [16]:
HVHN
Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, 2010/12. szám
H
X
X
X
X
X
X
AN
G
UF
X
X
X
X X
X
A fûtési és hûtési hõenergia-felhasználás meghatározása során kapott eredményeket a 2. és 3. táblázat mutatja. 2. táblázat. A nettó fûtési energiafelhasználás QF [kWh/év] Valósz. elm.
VDI
DIN
EN ISO 13790
1.
15 667
15 080
8 514
26 899
2.
28 158
17 150
12 435
–
3.
38 865
24 927
34 264
42 648
3. táblázat. A nettó hûtési energiafelhasználás
(8)
ahol: 3 – a levegõ sûrûsége, a [ kg/m ] ca [ J/kgK] – a levegõ fajhõje, bvek [-] – a hõmérséklet korrekciós tényezõ, értékét a szabvány közli (függ attól, hogy a levegõkezelõ központ melyik elemének az energiafelhasználását vizsgáljuk), qve,k,mn [m3/s] – a szellõzõlevegõ térfogatárama.
EF
QH [kWh/év] Valósz. elm.
VDI
DIN
EN ISO 13790
1.
1 717
1 415
5 726
1 196
2.
1 000
1 415
5 412
–
3.
2 495
1 976
5 785
3 062
7
LEKTORÁLT CIKK
A táblázatokból is látható, hogy az egyes méretezési eljárások által számított energiafelhasználás eltérõ eredményt mutat, de minden vizsgált esetben a külföldi számítási módszerek közül valamelyik eredmény az általunk kidolgozott számítási módszerrel közel azonos. Az adiabatikus nedvesítõ alkalmazása esetén adódott nagyobb energiafelhasználás, a mi eljárásunk szerint. Vélhetõen a külföldi módszerek nem veszik figyelembe kellõ pontossággal az adiabatikus nedvesítés miatt nagyobb elõfûtõ energiafelhasználását vagy a pontos nedvesítési folyamatot. Az eredmények különbözõségének további oka lehet, hogy a jelenleg aktuális elõírások az energiafelhasználást csupán az adott hónapra jellemzõ egyetlen meteorológiai átlagértékkel, átlaghõmérséklettel, átlag entalpiával jellemzik, szemben a valószínûségelméleti alapokon kidolgozott módszerrel, amely hatékony számítási eljárás, és jóval pontosabb értékeket eredményez.
Javaslatok a 7/2006. (V. 24) TNM rendelet pontosítására A fûtési energiafelhasználás meghatározása: A kutatómunkánk során végzett elemzések és konkrét energiafelhasználási számítások során az alábbi következtetéseket vontuk le. A TNM rendelet alapján a hûtési energia meghatározás kivételével az energetikai tanúsítás jól elvégezhetõ. A rendelet szerint a légtechnikai rendszer éves nettó fûtõenergia igényének a meghatározására az alábbi összefüggés szerepel [17]: QLT, h = 0 ,35 ⋅ V ⋅ nLT ⋅ (1 − η r ) ⋅ Z LT ⋅ (t bef − 4) , kWh/év
(9)
ahol: V [m3] – a fûtött térfogat, a belméretek szerint számolva, nLT [1/h] – a légcsereszám a légtechnikai rendszer üzemidejében, [-] – a szellõzõ rendszerbe épített hõvisszanyerõ r hatásfoka, ZLT [h/1000 év] – a légtechnikai rendszer mûködési idejének ezredrésze a fûtési idényben, t bef [°C] – a befújt levegõ átlagos hõmérséklete a fûtési idényben. A (9) összefüggés alapján látható, hogy rendelet a külsõ levegõ átlaghõmérsékletét 4°C-nak veszi a fûtési idényben. A módszer nem tesz különbséget a folyamatosan üzemelõ, a csak nappal üzemelõ, valamint a csak éjszaka üzemelõ levegõkezelõ központok energiafelhasználásának a meghatározása között, ugyanis az egyes esetekben eltérõ a külsõ levegõ átlaghõmérséklete. Az általunk kidolgozott valószínûségelméleti módszer megoldást ad ezekre az esetekre. A hûtési energiafelhasználás meghatározása: A rendeletben erre az esetre vonatkozó összefüggések több esetben lényeges pontosítást igényelnek. A nettó hûtési energiaigény elõzetes becslésére közelítõ összefüggést ad [17]: Qhû =
24 ⋅ nhû ⋅ (∑ AN ⋅ qb + Qsdnyár ) , [kWh/év] 1000
(10)
ahol: nhû [1/év] – a hûtési napok száma, AN [m2] – a nettó fûtött alapterület, qb [W/m2] – a belsõ hõterhelés fajlagos értéke, Qsdnyár [W] – a direkt sugárzási hõnyereség nyáron. 8
Ebbõl határozza meg a rendelet a gépi hûtés fajlagos éves primer energiafogyasztását [17]:
Ehû =
Qhû ⋅ ehû , AN
[kWh/m2 év]
(11)
ahol: ehû [-] – a gépi hûtésre használt energiahordozó primer energia átalakítási tényezõje. A 7/2006 (V. 24) TNM rendeletben közölt számítási módszereket ki kell egészíteni az alábbiakkal: 1. Figyelembe kell venni a helyiség érezhetõ hõterhelése és az ehhez tartozó Total hûtési teljesítmény közötti különbséget, mely a hûtõkalorifer felületi közepes hõmérsékletének függvényében 1,2-1,5 közötti érték lehet. 2. Figyelembe kell venni még a hûtõgép esetében a hûtõteljesítmény és a mechanikus hûtés kompresszoros teljesítménye, illetve energiafelhasználása közötti különbséget (pillanatnyi EER, illetve szezonális SEER érték.) Így a javasolt módosítás az alábbi:
Ehû =
Qhû ⋅ k1 ⋅ ehû k 2 ⋅ AN
[kWh/m2 év]
(11)
ahol: k1 [-] – a Total hûtési teljesítmény és az érezhetõ hõterhelés viszonyát kifejezõ érték (k1 = QTotal / Qérezhetõ), k2 [-] – a hûtõgép szezonális hûtési teljesítménytényezõje (SEER érték). A két tényezõ számszerû értéke az alkalmazott klímaberendezés esetében pontosan meghatározható. Az így kapott energiafelhasználás közel 0,25–0,6 szorosa a rendelet szerint meghatározható értéknek. Látható, hogy az eltérés lényeges. A fenti számítási módszerekkel frisslevegõ ellátás nélküli, fan coil, Split, Multi-Split, és VRV rendszerek éves energiafelhasználása határozható meg. A levegõkezelõ központok hûtési energiafelhasználásának a meghatározásával a 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet nem foglalkozik. Ez a feladat csak az általunk kidolgozott valószínûségelméleti módszerrel határozható meg. A külföldi méretezési módszerek bemutatása alapján megállítható, hogy csak bizonyos egyszerûsítések mellett alkalmazhatók. A kidolgozott új, valószínûségelméleti módszer alkalmas a levegõkezelõ központok energiafelhasználásának a meghatározására.
Felhasznált irodalom [1] Kajtár L.: Klímatechnikai rendszerek energiafelhasználásának elemzése valószínûségelméleti alapon. Budapest, 1-29.o., (2005). [2] Kajtár L.: Levegõkezelõ központok üzemének elemzése. Budapest, 1- 82. o., (2005). [3] Kajtár L., Kassai M.: Levegõkezelõ központ energiafelhasználásának elemzése valószínûségelméleti módszerrel. Magyar Épületgépészet, HU ISSN 1215-9913, 2007/4. szám, 3-7 o. [4] Peter G. Shild: Air to air recovery in ventilation systems Air Infiltration and Ventilation Centre, Ventilation Information Paper, No. 6 p. 6-7. (2004). [5] Yaw Asiedo, Robert W. Besant, Carey J. Simonson: Cost-Effective Design of Dual Heat and Energy Recovery Exchangers for 100% Ventilation Air in HVAC Cabinet Units, ASHRAE Transactions, Volume 111, Part 1, ISSN 0001-2505, p. 858-863., (2005).
Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, 2010/12. szám
LEKTORÁLT CIKK
[6] Kiss Róbert: Légtechnikai adatok, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, ISBN 963 10 3152 7, 197./207-208.o., (1980). [7] W. P. Jones: Air Conditioning Engineering, ISBN 0 7506 5074 5, p. 62-67.(2001). [8] Heinz Eickenhorst: Einführung in die Klimatechnik, Erläuterungen zum h-x Diagramm, ISBN 3 8027 2371 6, p. 10. (1998). [9] Recknagel, Sprenger, Schramek: Fûtés-és klímatechnika 2000 I. kötet, Dialóg Campus Kiadó, Budapest-Pécs, 137.o., (2000). [10] Anton Pech, Klaus Jens: Baukonstruktionen, Lüftung und Sanitär, ISBN-10 3 211 25252 5, ISSN 1614 1288 p.44-46. (2006). [11] Peter S. Curtiss, Newton Breth: HVAC instant answers, ISBN 0 07 138701 3, p. 381-382. (2002). [12] S. N. Sapali: Refrigeration and Air Conditioning, ISBN 978 81 203 3360 4, p. 292-293, (2009).
Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, 2010/12. szám
[13] VDI 2067 (Blatt 21) Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer û Anlagen - Energieaufwand der Nutzenübergabe Raumlufttechnik, ICS.91.140.30, S.19., (2003). [14] DIN V 18599-3:2007-02 Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 3: Nutzenergiebedarf für die energetische Luftaufbereitung, ICS 91.140.01; 91.140.30, S.52., (2007). [15] Jaap Hogeling: EPBD Buildings Platform – Information on standardisation, P02 11-04. (2006). [16] MSZ EN ISO 13790:2008: Épületek energetikai teljesítõképessége. A fûtési és hûtési energiaigény számítása, (2008). [17] 7/2006. (V. 26.) TNM rendelet az épületek energetikai jellemzõinek a meghatározásáról, 34. o., (2006).
9
