Miljøvurdering af ventilationssystemer8 Forbedringsanalyse8.1 Diagnose8.2 Forbedringspotentialer 8.1 DiagnoseResultatet af miljøvurderingen viser, at et ventilationsanlægs miljøbelastning altovervejende stammer fra energiforbruget i driftfasen. Ressourceforbruget domineres som følge heraf af energiressourcer til driftfasen, men knappe ressourcer så som zink, nikkel og kobber er også at finde. Energiforbruget er dels elektricitet til drift af selve ventilatoren, men også termisk energi til opvarmning af erstatningsluft, dvs. den kolde udeluft som erstatter den varme indeluft som fjernes. I Danmark er det kun få tider i døgnet, hvor udeluften er varmere end indeluften. Både elektricitetsforbruget til drift af ventilatoren og den termiske energi til opvarmning af erstatningsluft lader sig optimere. Eksempel For nærmere at undersøge hvorledes el-energiforbruget til drift af ventilatoren kan nedbringes er der gennemregnet et eksempel på et enkelt ventilationsanlæg. Anlægget er et indblæsningssystem opbygget af ventilator, filter, varmeflade, lyddæmper, kanaler og 10 indblæsningsarmaturer (anemostater), se figur 8 og 9. Anlægget har følgende data:
Kanaler:
*lige længde, dvs. uden bøjninger
Tryktab Tryktabene i anlægget er vist i tabel 3 og er beregnet på baggrund af leverandøroplysninger om modstande eller tryktab i kanaler, enkeltmodstande og komponenter. Systemtryktabet er beregnet af SEMCO og er et udtryk for det tab, som opstår når luftstrømmen går fra ventilatoren og ind i kanalsystemet, set i forhold til et ideelt system, forstået som en lang lige kanal af samme tværsnit som ventilatorens trykside. I eksemplet er der en bøjning umiddelbart på ventilatorens udblæsning, som giver et systemtab. Luftens dynamiske tryk er et udtryk for dens kinetiske energi og beregnes af formlen pd = ½òv2, hvor ò er luftens densitet og v dens hastighed. Enheden er Pa (Pascal).
Tabel 3. Trykfald i ventilationsanlæg, eksempel Trykfald, Pa, i ventilationsanlæg, 2880 m3/h, 10 indblæsningssteder.
Effektbehov Den nødvendige afgivne effekt som ventilatoren skal præstere for at drive systemet kan beregnes af:
3 die potens lovOfte vil man indregne en mulighed for at kunne øge anlægsydelsen med f.eks 10 %. Effektbehovet stiger herved med 3die potens, gældende for turbolent strømning, dvs. overkapacitetsfaktoren bliver 1,1 E3 = 1,33 I alt skal effektbehovet ved virkningsgraden 1 ganges med 1,33/(0,65x0,95) = 2,15 Effektbehov motor: 375 X 2,15 = 810 Watt (sv. t. en 1,1 kW motor) Effekt ved normal drift: 375/(0,65x0,95) = 610 Watt Der er her tale om motorens afgivne effekt, idet motorens optagne effekt fremkommer ved at dividere med virkningsgraden, som for en 1,1 kW motor er ca. 75 % eller ca. 80 % for en energisparemotor. Det ses af tabel 3, at det største tab ligger i komponenterne, hvoraf filteret står for en stor del. Hvis der benyttes stålkanaler har kanalsystemet et tab på 100 Pa (ca. 21 %) fordelt med 20 % til de lige kanaler og 80 % til enkeltmodstande (bøjninger, reduktioner etc.). Ved at benytte plastkanaler nedsættes tryktabet i kanalsystemet med ca. 15 % (14 Pa), sv. t. 3 % af det samlede tab. Balancerede anlæg Det viste eksempel er et enkelt indblæsningsanlæg, hvor balancerede anlæg er almindelige for anlæg i denne størrelse. Forskellen er, groft sagt, at anlægget fordobles med et udblæsningsanlæg; men dertil kommer en varmeveksler, som også vil have et tryktab, som måske kan være af størrelsesorden som filteret (eksempler i Olufsen, 1995). Det viste anlæg er meget simpelt. Man kan forvente anlæg med flere enkeltmodstande og længere kanalsystemer i virkelige systemer, hvilket betyder at kanalsystemet måske skal tillægges lidt større vægt end i eksemplet. Disse forhold er baggrunden for, at det lille anlæg fra miljøvurderingen har 1,5 kW motorer vs. eksemplets 1,1 kW motor. Minimering af tryktab Som regel er anlæg opbygget udfra en række praktiske hensyn som plads og økonomi. Derfor vil det i reglen være muligt at energioptimere anlæg, men anlægget vil næsten uundgåeligt blive dyrere, således at der skal regnes med en hvis tilbagebetalingstid. Dette vil blive behandlet i fase 4 af dette projekt. Anlægget i eksemplet er typisk derved at det er optimeret ud fra pris, idet bygningsreglementets grænse med hensyn til det specifikke el-forbrug skal være overholdt (SEL < 2,5 kW pr. m3/s, for VAV1 anlæg dog 3,2 kW pr. m3/s). Indenfor visse fysiske rammer kan anlægget optimeres ved følgende tiltag:
Effektbehov ved mindsket tryktab Det ses at en besparelse på 188 Pa eller ca. 40 % er indenfor mulighedernes rækkevidde. Når der tages hensyn hertil bliver effektbehovet: (469-188) Pa x 0,8 m3/s = 225 Watt. Montering af en større ventilator vil, foruden et lidt mindre dynamisk tryk, give en bedre virkningsgrad – måske 75 % i stedet for 65, idet den tilstræbes at arbejde i sit optimalområde (Olufsen, 1995). Virkningsgraden af transmissionen antages at blive en lille smule dårligere når der arbejdes med lavere effekter f.eks. 0,93 vs. 0,95 (Olufsen, 1995). Faktorer: Overkapacitet 1,1 E3 = 1,33 Virkn.grad ventilator: 0,75 Virkn.grad transmission: 0,93 I alt: 1,87 Effektbehov motor: 225 X 1,87 = 420 Watt (sv. t. en 0,55 kW motor) Effekt ved normal drift: 225/(0,75x0,93) = 325 Watt Motorstyring Foruden selve ventilationsanlægget ligger der væsentlige muligheder i motorens og anlæggets styring. Ved at anvende frekvensstyring af motoren behøver man ikke at tage hensyn til overkapacitetsfaktoren, da motorstyringen kan kompensere for denne, ved f.eks. tilstoppet filter. Motorens effektbehov bliver da 225/(0,75x0,93) = 325 Watt (sv.t. en 0,37 kW motor). Der er ingen umiddelbar fordel ved at gå en motorklasse ned, da det for små motorer (< ca. 5 kW) gælder, at en mindre motor har lavere virkningsgrad end en større indenfor motorens normale driftsområde. Hvis motoren udnyttes med mindre end ca. 25 % af sin effekt falder virkningsgraden drastisk. Dette skal man være opmærksom på ved behovsstyring af ventilationsanlægget, hvor man altså ikke bør benytte større motor end nødvendigt. Behovsstyring Behovsstyring af ventilationsanlægget kan etableres i forbindelse med frekvensstyring, idet man måler og regulerer det aktuelle ventilationsbehov ud fra nærmere antagne parametre, f.eks. CO2 indhold i lokalet. De steder, hvor der ikke er ventilationsbehov, lukkes automatisk og ventilationsanlæggets samlede volumenstrøm nedreguleres tilsvarende. På denne måde kan der ofte spares 50 % energi eller mere. Besparelsen kan til dels forventes at følge førnævnte 3die potens lov, se eksemplificeringen i afsnit 8.2, dvs. at en halvering af luftmængden kan medføre ned til 1/8 af ventilatorens energiforbrug, hvorimod varmetabet ligeledes halveres. Som nævnt må man tage hensyn til valg af motorstørrelse ved behovsstyring af anlægget, og det samme gælder ventilatoren, således at disse kommer til at arbejde mest muligt i deres optimale virkningsgradsområde. Dette kan ske ved en såkaldt samtidighedsdimensionering af anlægget, dvs. anlægget dimensioneres efter hvor mange brugssteder der maksimalt forventes at være i gang samtidig og ikke efter at anlægget skal kunne ventilere alle brugssteder samtidig. På denne måde vil man gå ud fra et forholdsvis mindre anlæg, som bedre bevare sin effektivitet når det reguleres ned. Varmegenvinding Balancerede anlæg er som hovedregel forsynet med varmeveksler og her kan varmegenvindingen effektiviseres ved at vælge en varmeveksler som er bedst muligt afpasset anlæggets kapacitet, eller man kan vælge rotationsvarmeveksler frem for krydsvarmeveksler. Rotationsvarmeveksleren medfører dog en hvis risiko for at udsugningsprodukter, f.eks. bakterier, partikler eller kemikalier, overføres til indblæsningsluften. Varmepumpe For enkelte ventilationsanlæg kan der etableres varmepumpe. Varmepumpen henter energien fra den varme udsugningsluft og den direkte virkningsgrad bliver derved god, dvs. mellem en trediedel og en fjerdedel i forhold til moderne olie- eller naturgasfyr. Varmepumpen skal dog forsynes med elektricitet, og når virkningsgraden ved el-produktion indregnes bliver det primære energiforbrug nogenlunde som for balanceret ventilation med varmeveksler, men driftøkonomien for varmepumpen er god. Naturlig ventilation I forhold til at optimere og styre et anlæg med tvungen ventilation som ovenfor beskrevet kan man vælge en konceptuelt anden løsning ved at udnytte naturlig ventilation. Når man etablere tvungen ventilation er det normalt fordi den naturlige ventilation ikke tilfredsstiller ventilationsbehovet, men det er muligt at arbejde med løsninger baseret på naturlig ventilation, idet den såkaldte "skorstenseffekt" udnyttes, dvs. termisk opdrift som følge af temperaturforskel mellem top og bund af en lang opretstående kanal. I varme sommerperioder, hvor ventilationsformålet er køling, kræver naturlig ventilation særlig udformning for at udnytte solens energi, da de normale termiske drivkræfter mellem udetemperatur og indetemperatur ellers er for små. Skorstenseffekten kan her f.eks. etableres ved hjælp af en solvæg. Naturlig ventilation konstrueret som beskrevet kan erstatte eller understøtte tvungen ventilation, men dimensioneringen kræver særlig erfaring (Andersen, 1998). Varmegenvinding udenfor sommerperioden kan etableres ved hjælp af en varmeveksler med særlig lavt gennemstrømningstab, men teknologien er under udvikling (Energistyrelsen, 1999). Det er usikkert om en varmepumpe vil virke for naturlig ventilation, da den medfører en kraftig afkøling af luftafkastet som kan forstyrre de termiske ventilationskræfter. Hvis der ikke etableres varmegenvinding vil varmeforbruget til opvarmning af erstatningsluft med stor sandsynlighed overstige den driftmæssige besparelse af ventilatorens elforbrug. 8.2 ForbedringspotentialerTabel 4 viser nogle typiske energiforbrug for nogle konceptuelt forskellige typer ventilationsanlæg som beskrevet i afsniot 8.1. Hver af disse typer ventilationsanlæg kan forbedres ifølge mulighederne beskrevet i afsnit 8.1, men for naturlig ventilation er forbedringsmulighederne mest begrænset til behovsregulering.
Tabel 4. Typiske energiforbrug for forskellige typer ventilationsanlæg. Figur 10 og 11 viser de vægtede miljø- og ressourcebelastninger for det lille ventilationsanlæg på 2300 m3/h, hvor der er regnet med energibesparelse dels gennem optimering af anlægget som beskrevet i afsnit 8.1 og dels gennem behovsstyring af anlægget, ligeledes beskrevet i afsnit 8.1. Som reference er vist værdierne fra miljøvurderingen, kapitel 5. Besparelsen gennem optimering af anlægget er opnået ved filter og varmeveksler med mindre strømningsmodstande, ventilator med større virkningsgrad, energisparemotor, bøjninger med større radius, plastkanaler i stedet for stål, samt en vis omlægning af kanaler og komponenter for at begrænse systemtab. Varmeveksleren med mindre strømningsmodstand antages at have uændret virkningsgrad. Ved de nævnte tiltag antages opnået en besparelse for anlæggets eget energiforbrug på 40 %, jfr. afsnit 8.1 Besparelsen gennem behovsstyring af anlægget er opnået ved at begrænse luftskiftet til de steder og perioder hvor der er behov. Der er regnet med, at luftskiftet er nedbragt 50 %, dvs. en halvering. Energiforbruget til opvarmning af erstatningsluft falder derfor ligeledes med 50 %. Besparelsen i anlæggets eget energiforbrug afhænger af, hvorledes der reguleres. Hvis der er tale om ren tidsregulering, dvs. ”tænd/sluk” af hele anlægget er besparelsen 50 %. Hvis der er tale om en begrænsning af volumenstrømmen, og dermed volumenhastigheden, fordelt ligeligt på alle udsugningssteder kan man antage at 3die potensloven følges, dvs. besparelsen bliver 87,5 %, idet energiforbruget nedbringes til 1/8. I praksis vil man have en kombination af de nævnte yderpunkter, dvs. nogle sugesteder vil tændes/slukkes og andre nedregules ned. Når luftskiftet mindskes væsentligt må anlæggets virkningsgrad yderligere antages at falde noget, som følge af at motor, ventilator og transmission noget af tiden vil arbejde i et dårligere virkningsgradsområde. Som et realistisk eksempel er der derfor regnet med en besparelse på 75%. Sammenholdt med de 40 % besparelse fra optimering af anlægget bruger anlægget 15 % af den oprindelige el-energi. Fotokemisk ozon-1 (lavNOx) Næringssaltbelastning Human Toksicitet Øko-toksicitet Persistent toksicitet Volumenaffald Farligt affald Radioaktivt affald Slagge og aske
Energibesparelse ved optimering af anlægget er bl.a. opnået ved brug af plast i stedet for stål. Foruden en mindre energibesparelse sparer man zink, som er en begrænset ressource, og eventuelt nickel, hvis rustfrit stål indgår. Brugen af plastkanaler medfører øget brug af mineraluld af hensyn til brandsikring og af samme grund skal plastkanalerne fæstnes til en stålafstivning, som består af 6 mm rundjern. Der er antaget det worst case tilfælde at alle kanaler brandsikres, hvad der i praksis ikke nødvendigvis er tilfældet. 80 % af plasten og stålafstivning antages at blive recirkuleret. De resterende 20 % plast og stålstivere antages deponeret, da en del mineraluldsomvundne kanaler nok bliver deponeret, grundet besværet med at adskille plast, stål og mineraluld. Al mineralulden antages deponeret. For plasten som sendes til genvinding regnes med et lødighedstab på 20 %, dvs. at den genvundne plast vil fortrænge 80 % primær plast. Lødighedstabet er et udtryk for kvalitetstab ved recykling, som følge af at der er tale om plast efter brugsfasen og at meget af den indeholder fyldstoffer (Mølgaard, 1995).
|
