1
ENERK Een interactief computerprogramma voor het ontwerpen van luchtconditioneringsinstallaties * **
A.H.C. van Paassen en T.P. van der Stelt Hoogleraar Klimaatregeling en ** ICT deskundige Energievoorziening bij de Faculteit OCP van de TU Delft *
Samenvatting Een interactief computerprogra mma is ontwikkeld voor het maken van een voorontwerp van een klimaatbeheersingsinstallatie. Hierbij wordt een ontwerpproces gevolgd, dat verloopt op een voor de ontwerper herkenbare wijze, waarbij aan de hand van tussenresultaten nieuwe beslissingen genomen kunnen worden. Via invulformulieren wordt allereerst een vertrek van het gebouw gedefinieerd en het gebruik ervan aangegeven. Dan wordt een berekening gemaakt van het jaarverloop van de koel- en warmtelast van het gebouw. Deze gegevens worden vertaald in een bestand dat aangeeft hoe vaak een bepaalde sector van het Mollier h/x-diagra m optreedt en tevens hoe groot de daarbij behorende koel- en warmtelast zijn. Via dit diagram wordt de installatie en regelstrategie ontworpen. De regelfuncties worden bepaald door de ontwerper in het Mollier-diagram te laten aangeven welke toestandsveranderingen de te behandelen lucht moet ondergaan. Deze toestandsveranderingen worden vervolgens in een Mollier-diagram op het computerscherm gepresenteerd. Na deze invoerprocedure rekent het programma automatisch uit hoeveel gas en elektriciteit er gemiddeld per jaar nodig is. Na elke berekeningsronde kan de ontwerper het gebouwvertrek, het gebruik en de installatie regelstrategie veranderen en het effect op het energiegebruik beoordelen, zodat gericht naar het optimum kan worden gezocht.
Inleiding Op het ogenblik wordt het energiegebruik van een klimaatinstallatie in een gebouw berekend door gebruik te maken van computerprogramma’s, die het thermisch gedrag van het gebouw en de klimaatbeheersingsinstallatie simuleren. Met deze simulaties wordt het gedrag van het gebouw en de installatie met behulp van uurlijkse weersgegevens uur na uur berekend en het jaarlijks elektriciteit- en gasgebruik bepaald. Een nadeel van dit soort programma’s is dat ongebruikelijke uitvoeringsvormen of regelingen van klimaatinstallaties niet kunnen worden doorgerekend. Dit vanwege het feit, dat de programmatuur daarin niet voorziet. De starre opzet ervan vereist namelijk een herprogrammering, hetgeen tijdrovend en duur is. Het vervelende feit doet zich dus voor, dat als een ontwerper een origineel idee heeft voor een energiebesparende luchtbehandeling en regeling, er geen hulpmiddelen beschikbaar zijn om dit idee snel op zijn waarde te toetsen. Een ander nadeel van de huidige programma’s is dat de wijze waarop de berekeningsmethode plaats vindt, niet aansluit op de wijze waarop de luchtbehandelingsspecialist ontwerpt. Dit geldt met name voor het bepalen van het ver mogen van de installatiecomponenten en de regelstrategie. Hierbij is het gebruikelijk de toestandsveranderingen van de te behandelen lucht in een Mollier-diagram te schetsen om zodoende tot een goede keuze te komen. Om deze wijze van ontwerpen eveneens mogelijk te maken met behulp van computerberekeningen is een nieuw computerprogramma ontwikkeld. Hieraan zijn de volgende eisen gesteld: • Iedere modificatie van het gebouw, de installatie en de regelstrategie moet men eenvoudig en snel kunnen realiseren.
2
Figuur 1 Het verloop van het ontwerp met het programma Enerk
3
• •
• •
Via invulformulieren moet de ontwerper kunnen aangeven hoe de installatie is opgebouwd en moet werken. De ontwerper moet met het programma kunnen ontwerpen op een manier, die sterk verwant is met de voorheen gevolgde werkwijze. Dit wordt gerealiseerd door de ontwerper via een Mollier-diagram op het computerscherm zijn wensen kenbaar te laten maken. De ontwerper ziet op het Mollierdiagram hetzelfde gebeuren als hij zelf met de hand zou hebben geschetst. Hij kan bovendien op elk ogenblik zelf beslissen om het verloop van de berekening te beïnvloeden. Het programma moet bruikbaar zijn in de beginfase van het ontwerp van een project (voorontwerp) en na elke modificatie moet worden aangegeven wat de gevolgen zijn voor het energiegebruik Het programma moet inzichtelijk en pedagogisch verantwoord zijn. Een beginner moet al doende leren hoe een installatie ontworpen moet worden. Het progra mma moet dan ook voldoende helpteksten bieden om zowel het programma als de theorie te leren kennen.
Door de hier geschetste ontwerpmethode wordt iets weggenomen van het gesloten karakter van de huidige computerprogramma’s en wordt het leereffect vergroot.
Het computerprogramma Enerk In figuur 1 zijn schematisch de stappen weergegeven, die in het programma doorlopen worden om tot een goed ontwerp te komen. Deze stappen zijn: • vertrekdefinitie, zoals geometrie van het referentievertrek van een gevel, opbouw van de wanden, oriëntatie, type zonwering • invoer vertrekgebruikgegevens, zoals kantoortijden, interne belasting, gewenste waarden van de binnentemperatuur gedurende de dag • berekening van de binnentemperatuur en de koel- en warmtelast • vakindeling van het Mollier-diagram en het bepalen van de gemiddelde luchtconditie en de koel- en warmtelast met bijbehorende kans van voorkomen • keuze van het type klimaatbeheersingssysteem en het vastleggen van het vermogen • invoer van de regelstrategie per vakje in het Mollier-diagram • berekenen van het energiegebruik voor verwarming, koeling en transport Bij elke fase kan men informatie over het gebruik van het betreffende deel van het programma vinden in helpteksten. Ook wordt meer fundamentele informatie gegeven zoals over het Mollier-diagram en het verloop van de toestandsverandering van de lucht door bijvoorbeeld de luchtkoeler van de luchtbehandelingsinstallatie.
Ontwerpstappen De hierboven genoemde stappen zullen nu nader worden beschreven.
Vertrekdefinitie en invoer gebruik van het vertrek Allereerst moeten de gegevens voor een standaard vertrek van een bepaalde gebouwgevel worden ingevuld. Dit kan men doen door in het invulformulier default waarden te veranderen. Ook kan men een eerder ingevuld formulier activeren. Op een volgend scherm kan men aangegeven hoe het vertrek gebruikt wordt. Dat wil zeggen men moet invullen: het beoogde verwarmings- en koelvermogen en kantoortijden met bijbehorende interne warmtebelasting door personen en apparaten. Ook moeten de grenzen worden aangegeven waarbinnen de binnentemperatuur geregeld moet worden. Door op Help te klikken wordt aan de hand van een voorbeeld getoond hoe men dit moet doen.
Binnentemperatuur en de koel- en warmtelast. Op basis van deze gegevens en de weersgegevens uit het verkort referentiejaar wordt een koel- en warmtelast berekening ingezet, dat het dagverloop van het binnen- en buitenklimaat en de vereiste koel- en
4
warmtelast berekent en voor een geselecteerde dag toont. In figuur 2 is als voorbeeld het verloop van 7 augustus van het verkort referentiejaar getoond. Uit de temperatuuroverschrijdingen is te zien dat een koelvermogen van 1000 W net niet voldoet om de binnentemperatuur 100% van de tijd strikt aan de voorgeschreven eis te laten voldoen. In een keuzelijst kan men elke dag van het jaar selecteren en het resultaat beoordelen. Wil men onderzoeken of het zonder mechanische koeling kan, dan maakt men het koelvermogen gelijk aan nul en past de invoer voor het vertrek aan (bijvoorbeeld zwaardere wanden en/of nachtventilatie). Het verloop van de binnentemperatuur zal dan aangeven of dit voldoet. Ook kan men de sommatie van de koelen warmtelasten in een staafjesdiagra m vergelijken met de eerder uitgevoerde berekening. De verdeling van de binnentemperatuur wordt getoond om te controleren of er niet te veel overschrijdingen hebben plaatsgevonden.
Figuur 2
Dagverloop van 7 augustus van het verkort referentiejaar
Vakindeling van het Mollier-diagram De werking van de klimaatinstallatie en de bijbehorende regeling kan men in het Mollier-diagram van vochtige lucht zichtbaar maken in de vorm van trajecten, die aangeven hoe de toestand van de te behandelen lucht door de luchtbehandelingsinstallatie wordt veranderd. Bij elk traject berekent het progra mma uit het verschil in enthalpie hoeveel verwarming en koeling er door de ketel respectievelijk koelmachine moet worden geleverd. In principe moet men dit voor alle mogelijke condities in het h-x diagram doen. Dit zou echter te veel invoer van de ontwerper vereisen. Daarom wordt het h-x diagram in vakken verdeeld.
5
Het aantal vakken waarin het Mollier-diagram wordt opgedeeld is in principe geheel vrij te kiezen. Een goede vakindeling tracht buitenluchtcondities te clusteren tot een vak die eenzelfde regelstrategie vereisen. Ook de frequentie van voorkomen speelt een rol. In Enerk zijn zowel default vakindelingen beschikbaar als een werkblad om een eigen indeling te maken. In figuur 3 is een vakindeling gegeven die geschikt is voor een luchtbehandelingsinstallatie met vas te dauwpuntsregeling. In de appendix wordt de vakindeling nader uitgelegd.
Figuur 3
Vakindeling + verloop koeling
Keuze van het type klimaatbeheersingssysteem en het vastleggen van het vermogen In deze fase van het programma moeten een aantal keuzes gemaakt zijn, zoals: • type klimaatbeheersingssysteem (inductiesysteem, Variabel Volume systeem en Constant Volume Systee m).Wil men een ventilatiesysteem met een lokale koelunit analyseren dan kiest men voor een Constant Volume Systeem en geeft de maximale koellast op. Het progra mma kiest dan van zelf een lokale koelunit met de juiste capaciteit. • minimum en maximum ventilatiedebiet te leveren door de luchtbehandelingsinstallatie (m3/h) • minimum en maximum temperatuur van de inblaaslucht • minimum en maximum vochtigheid van de inblaaslucht • rendementen van koelmachine, ketel en ventilatoren • type bevochtiging (adiabatisch of met stoom)
Ontwerpprocedure
6
De gegevens vastgelegd voor de 10 vakken in het h-x diagram dienen als basisgegevens voor het ontwerpproces. Vak voor vak wordt de vastgelegde informatie gebruikt om te komen tot het beste ontwerp van de klimaatinstallatie en het bijbehorende regelschema. De ontwerper moet nu voor ieder vak voor een koel- en verwarmingssituatie aangeven: • In welke volgorde de verschillende componenten van de luchtbehandelingsinstallatie moeten worden geplaatst. • Welke regelstrategie moet worden toegepast Dit laatste wordt gerealiseerd door voor ieder van de 10 vakken in het h-x diagram aan te geven op welke wijze de verschillende componenten van de installatie de luchttoestand moeten veranderen. Dit gebeurt door met een menu voor ieder vak de temperatuur en vochtigheid voor en na iedere component aan te geven. Afhankelijk van het type component wordt het juiste verloop in het h-x diagram weergegeven. In figuur 3 is dit gedaan voor een situatie met recirculatie, koelen en verwarmen. Het verloop van de luchtkoeler is gebaseerd op uitgebreide berekeningen en experimenten met een luchtkoeler. Om het energiegebruik te kunnen uitrekenen moet het luchtdebiet en de gewenste temperatuur van de inblaaslucht, die is ingevoerd bij de regelstrategie worden bepaald. Hetzelfde geldt voor de koeling en verwarming (Q-unit en Q+unit), die door de unit in het vertrek moeten worden geleverd. In de ap pendix is dit nader uitgewerkt.
Resultaat Nadat alle voorgaande stappen zijn uitgevoerd, worden de berekende hoeveelheden energie die nodig zijn voor de ketel, de koelmachine en de ventilatoren getoond. Om optimalisatie mogelijk te maken worden ook de resultaten van de vorige berekening zichtbaar gemaakt om te zien of men met een nieuwe variant een verbetering heeft bereikt. Tenslotte kan men een eindrapport met de meest relevante gegevens laten printen.
7
Figuur 4. Energiebehoeften van een inductiesysteem voor koeling, verwarming en luchttransport voor een luchtbehandelingsinstallatie met en zonder vochtregeling (previous en current calculation). In figuur 4 wordt het jaarlijks energiegebruik van een inductiesysteem getoond voor: • koeling (kWh elektrisch voor de koelmachine) • verwarming (kWh gasequivalenten) • transport (kWh elektrisch) Allereerst is voor een thermisch zwaar gebouw met geringe interne belasting de berekening uitgevoerd voor een luchtbehandelingsinstallatie met vochtregeling (dauwpuntsregeling). Vervolgens wordt de vochtregeling buiten werking gezet, zodat alleen de luchttemperatuur na de luchtkoeler wordt geregeld. Te zien is dat het energiegebruik voor koeling en verwar ming afneemt. Dit geldt vooral voor de verwarming omdat door het niet regelen van de vochtigheid beduidend minder naverwarming van de lucht na de luchtkoeler nodig is.
Demo Een demoversie kan men downloaden via de Enerk pagina van de website van de TU Delft, Faculteit OCP, Koudetechniek en Klimaatregeling (www-pe.wbmt.tudelft.nl/kk/Enerk/Enerk.htm). Daar vindt men tevens delen van het dictaat Klimaatbeheersing A en B die bij het gebruik van Enerk geraadpleegd kunnen worden.
8
Slotopmerkingen Het programma Enerk biedt aan een luchtbehandelingsspecialist de mogelijkheid om op een interactieve manier de luchtbehandelingsinstallatie en de regelstrategie ervan zodanig te ontwerpen dat het energiegebruik zo laag mogelijk is. De ontwerpprocedure verloopt op een voor hem herkenbare wijze door gebruik te maken van het Mollier-diagra m op het beeldscherm van een computer. • Door het inbouwen van beslissingspunten en door het geven van tussentijdse informatie wordt het inzicht van de ontwerper groter en wordt hij aangezet tot het zoeken naar betere oplossingen. •
Het programma is door de interactieve opzet geschikt om snel een aantal varianten in het begin van een project te beoordelen.
•
Door de helpteksten, die de ontwerper kan raadplegen om zijn kennis op te frissen en zonodig uit te breiden, is het programma tevens geschikt voor zelfstudie. Om uitgebreidere basiskennis te bestuderen is het mogelijk een directe verbinding te maken met de website van de TU Delft, Koudetechniek en Klimaatregeling. In de toekomst zullen daar steeds grotere delen van de collegedictaten te vinden zijn.
Appendix Kansbepalingen verwarmings- en koelsituaties Voor het bepalen van het jaarlijks energiegebruik is het nodig te weten hoe vaak een bepaald vak gedurende het jaar voorkomt. Ook is het nodig de gemiddelde buitenluchttemperatuur en vochtigheid van ieder vak te bepalen. Om voor een bepaald vak het traject van de luchtbehandeling te kunnen schetsen is informatie nodig over: • De gewenste temperatuur waarmee de behandelde lucht in het vertrek geblazen moet worden • De hoeveelheid in te blazen lucht. Deze informatie is direct af te leiden uit de vereiste koel- en warmtelast. In Enerk wordt het verkort referentiejaar gebruikt om het jaarlijks verloop te bepalen. Het bestaat uit 4 seizoenen met elk een lengte van 2 volledige weken, zodat er 4 x 2 x 7 x 24 = 1344 uurlijkse situaties ontstaan. De tijdsverlopen die uit het koel- en warmtelast onderdeel van Enerk komen, leveren dus 1344 aparte situaties op. Hiervoor worden per vak de gemiddelde waarden van de buitenluchttemperatuur en vochtigheid (θ, x) en de koel- en warmtelast (Q+, Q-) bepaald. Tevens wordt uitgerekend hoe groot de kans van optreden is voor een verwarmings- of koelsituatie (P+, P-). Dit laatste wordt gedaan door aan de hand van de output van het koel- en warmtelast onderdeel te tellen hoe vaak een bepaalde situatie in een vak voorkomt. Stel een bepaalde situatie komt n-maal voor. Dit houdt in dat de kans op voorkomen van deze situatie gelijk is aan: n/1344 x 100%. Voor een volledig jaar zal gemiddeld eenzelfde percentage gelden. Omdat gedurende de nacht- en weekend uren geen verse buitenlucht wordt geëist en tevens de binnentemperatuur binnen ruimere grenzen wordt vrij gelaten, worden de 1334 uren van het verkort referentiejaar gesplitst in kantooruren en nacht/weekenduren (niet-kantooruren). Door deze indeling in vakken wordt het aantal te beschouwen situaties aanzienlijk kleiner. De vakindeling van figuur 3 bestaat uit 5 vakken, waarbij voor elk vak de bijbehorende koellasten gescheiden zijn gehouden van de verwarmingslasten. Zo ontstonden voor de kantooruren uiteindelijk 9 situaties omdat in 4 vakken zowel koel- als warmtelasten optraden. Voor de niet-kantooruren is 1 vak gekozen omdat dan steeds verwarming optrad. Het totaal aantal te beschouwen situaties is dus gelijk aan 10. Voor de 10 situaties is nu informatie beschikbaar over de gemiddelde buitenluchttemperatuur en vochtigheid (2,x), de gemiddelde koel- en verwarmingslast is (Q-, Q+) en de kansen van optreden zijn (P+, P-) en de gemiddelde berekende binnentemperatuur en de gewenste vochtigheid. Deze getallen worden
9
voor ieder vak in het geheugen opgeslagen en gebruikt bij de berekening van het energiegebruik dat voor de luchtbehandeling nodig is.
Berekeningsmodel energiegebruik Om het energiegebruik te kunnen uitrekenen moet het luchtdebiet en de gewenste temperatuur van de inblaaslucht worden bepaald. Hetzelfde geldt voor de koeling en verwarming (Q-unit en Q+unit), die door de unit in het vertrek moeten worden geleverd om te samen met de toegevoerde geconditioneerde lucht de lasten in het vertrek op te vangen. Afhankelijk van het klimaatsysteem wordt van de inblaaslucht of het debiet Φm of de toevoertemperatuur θi vastgelegd. Dit is weergegeven in tabel A1. Tabel A1 klimaatsysteem inductie (Fig.4) Variabel air volume (VAV) (Fig. 5) Constant all air volume
Qunit afhankelijk van koellast Q 0 bij koeling
Φm vaste waarde variabel (afh. Q)
θi vaste waarde vaste waarde
0
vaste waarde
variabel (afh. Q)
Voor ieder vak in het Mollier-diagram wordt de volgende berekening uitgevoerd: •
de gemiddeldetemperatuur en vochtigheid van de buitenlucht, grootte en kans van optreden van de verwarmings- en koellast −
−
− +
− −
−+
−−
θ bu , xbu , Q , Q , P , P •
De warmtebalans voor een vertrek met koel- f warmtelast Q is: −
last Q = c p φm (θ toevoer − θ vertrek ) + Qunit
Hiermee te bepalen: −
Inductie Systeem : Qunit = Q − c p φm (θtoevoer − θvertrek ) VAV
: φm
−
= Q / ( c p (θ toevoer − θ vertrek )) −
Constant Volume : θ toevoer = Q / (c p φm ) + θvertrek
•
Afhankelijk van de punten die door de ontwerper in het Mollier-diagram zijn aangegeven worden de enthalpieverschillen voor verwarming en koeling berekend: Voor verwarming is nodig: + Qverw = (V h + φ m + Qunit ) /ηketel
Voor de koelmachine: − Qkoelm = (V h − φ m + Qunit ) /η koelm
Voor de ventilatoren: Qventilator =V pvent φ m /( ρη vent )
10 met η = rendement Deze bijdragen Q voor het vak in het Mollier-diagram worden omgezet in energiegebruik. Bijvoorbeeld voor verwarming is dit: E verw = E verw (vorige stap ) + Qverw P + N [kWh]
met N = totaal aantal kantooruren per jaar of weekend / nachturen
11
