Byggnads- automationens grunder - siemens.se grunder_v1.1.pdf · Boken går att beställa från . 9...

17

Byggnads- automationens grunderSystem för värme, kyla, ventilation

www.siemens.se/sbt

Kompendium nr 1

Endast för utvärdering

går ej att skriva ut

Boken går att beställa från www.siemens.se/sitrain

Förord Detta kompendium bygger på dokument 0-91916-en upprättat av Siemens Switzerland Ltd. Referenser

• Recknagel Sprenger Schramek, ”Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik” • ”Handbuch der Klimatechnik”, C.F. Müller Verlag • Fachartikel ”Die Fläkt-Kennlinie”, Ing. Josef Lexis • Buderus ”Handbuch für Heizungstechnik” • ”Impulsprogramm Haustechnik”, Bundesamt für Kulturfragen, CH-Bern

Bearbetat och anpassat av Hans Lundin, Siemens AB BT, Utbildningscenter Reviderat februari 2011




1

Siemens Building Technologies Byggnadsautomationens grunder B01HV_sv februari 2011

Innehållsförteckning

1 Byggnadsteknik ......................................................................... 7

1.1 Inledning......................................................................................................7

1.2 Byggnadens skal ........................................................................................8

1.3 Teknisk utrustning i byggnader ................................................................9

1.3.1 Byggnadsautomation ..................................................................11

2 Fysikaliska principer................................................................ 13

2.1 Inledning....................................................................................................13

2.2 Värmelära ..................................................................................................14

2.2.1 Värmeutvidgning i fasta ämnen ..................................................18

2.2.2 Värmeutvidgning i vätskor ..........................................................21

2.2.3 Vatten .........................................................................................22

2.2.4 Värmeutvidgning hos gaser ........................................................28

2.2.5 Luft..............................................................................................31

2.2.6 Ämnenas entalpi .........................................................................33

2.2.6.1 Joule och Watt ............................................................................35

2.2.7 Värmeflöde .................................................................................36

2.2.8 Värmeledning..............................................................................36

2.2.9 Värmekonvektion ........................................................................38

2.2.10 Värmestrålning............................................................................42

2.2.11 Blandningslagen .........................................................................45

2.2.12 Tidskonstant vid värmeflöde .......................................................45

2.3 Flöde och tryck .........................................................................................47

2.3.1 Laminärt flöde .............................................................................47

2.3.2 Turbulent flöde............................................................................47

2.3.3 Hastighet och tryck .....................................................................49

2.4 Värmebalans .............................................................................................51

2.4.1 Människans värmehushållning ...................................................51

2.4.2 Komforttemperatur......................................................................53

3 Värmesystem............................................................................ 57

3.1 Exempel på värmesystem........................................................................57




2


3.2 System för vattenburen uppvärmning ....................................................58

3.2.1 Olje- och gaspannor....................................................................58

3.2.1.1 Panntyper....................................................................................58

3.2.1.2 Tappvarmvattenförsörjning via pannan.......................................58

3.2.1.3 Brännare .....................................................................................59

3.2.1.4 Atmosfäriska gasbrännare ..........................................................60

3.2.1.5 Vedgaspanna ..............................................................................61

3.2.1.6 Vedpanna med manuell matning ................................................61

3.2.1.7 Automatiska träflis- och sågspånspannor ...................................62

3.2.1.8 Pelletseldade pannor ..................................................................63

3.2.2 Koks- och koleldade pannor........................................................64

3.2.3 Användning av solenergi.............................................................64

3.2.3.1 Bivalent system för uppvärmning och varmvattenberedning ......65

3.2.3.2 Solfångaren som värmeavgivare ................................................65

3.2.3.3 Solvärmekretsen .........................................................................66

3.2.3.4 Ackumulatorn ..............................................................................66

3.2.3.5 Exempel på solvärmesystem ......................................................67

3.2.3.6 Nettovärmevärde efter förluster ..................................................68

3.2.4 Direktverkande el med värmeackumulering................................68

3.2.4.1 Ackumulator med fast massa......................................................68

3.2.4.2 Vattenackumulator ......................................................................69

3.2.5 Värmepumpar .............................................................................70

3.2.5.1 Vanliga värmesystem..................................................................70

3.2.5.2 Metoder för tillvaratagande av omgivningens energi ..................70

3.2.6 Kraftvärme...................................................................................70

3.2.6.1 Kraftvärmeapplikationer ..............................................................71

3.2.6.2 Bränsleceller ...............................................................................71

3.2.7 Fjärrvärme...................................................................................73

3.2.7.1 Värmekällor .................................................................................74

3.2.7.2 Distribution av fjärrvärme ............................................................74

3.2.7.3 Fjärrvärmecentral ........................................................................75

3.3 Huvudkomponenter ..................................................................................76

3.3.1 Pumpar........................................................................................76

3.3.1.1 Pump- och systemkarakteristik ...................................................76

3.3.2 Styrventiler ..................................................................................78




3


3.3.3 Injusteringsventiler......................................................................79

3.3.4 Säkerhetsutrustning....................................................................80

3.4 Distributionssystem för uppvärmning....................................................84

3.4.1 Självcirkulationssystem...............................................................84

3.4.2 Pumpsystem ...............................................................................84

3.5 Värmeavgivning i vattenburna värmesystem ........................................86

3.5.1 Radiatorer - konvektorer .............................................................86

3.5.1.1 Funktionsprincip..........................................................................86

3.5.1.2 Påverkan på värmeeffekten från en radiator ..............................86

3.5.2 Golvvärme ..................................................................................86

3.5.3 Takvärme....................................................................................88

3.6 Värmesystem med temperaturer över 100°C .........................................89

3.6.1 Hetvattenvärme ..........................................................................89

3.6.2 Ångvärme ...................................................................................89

3.7 Termoaktiva byggsystem.........................................................................90

4 Kylteknik ................................................................................... 92

4.1 Introduktion...............................................................................................92

4.2 Frikylning med vatten...............................................................................94

4.3 Mekanisk kylning ......................................................................................96

4.3.1 Kylmaskinens funktion ................................................................96

4.3.2 Fysiska tillståndsändringar .........................................................96

4.3.3 Köldmedier................................................................................101

4.3.4 Kylkretsen .................................................................................102

4.3.5 Absorptionskylning....................................................................105

4.3.5.1 Kombination av verksamma ämnen .........................................106

4.3.5.2 Användning...............................................................................107

5 Hydraulik i byggnader ........................................................... 108

5.1 Introduktion.............................................................................................108

5.2 Hydrauliska system ................................................................................109

5.2.1 Huvudkomponenter i ett hydrauliskt system .............................109

5.2.2 Olika hydrauliska kretsar ..........................................................110

5.3 Fördelare .................................................................................................113

5.3.1 De olika typerna av fördelare....................................................113




4


5.3.1.1 Typ 1, utan huvudpump, förbrukare med blandningskretsar.....114

5.3.1.2 Typ 2, med huvudpump, förbrukare med 2-vägsventiler i variabelflödes- eller injektionskretsar ........................................115

5.3.1.3 Typ 3, med huvudpump, förbrukare med 3-vägsventiler i fördelnings- eller injektionskretsar.............................................116

5.3.1.4 Typ 4, med huvudpump, trycklös huvudfördelning i variabelflödes- och blandningskretsar.......................................117

5.3.1.5 Flödesschemor över fördelare ..................................................118

5.4 Hydrauliska kretsar.................................................................................119

5.4.1 Kretsar med variabelflöde och konstantflöde ............................119

5.4.2 Styrning av flöde och temperatur ..............................................120

5.4.3 Variabelflödeskrets....................................................................121

5.4.4 Fördelningskrets........................................................................122

5.4.5 Blandningskrets.........................................................................123

5.4.5.1 Blandningskrets med returinblandning......................................124

5.4.6 Injektionskrets ...........................................................................125

5.4.6.1 Injektionskrets med 3-vägsventil ...............................................125

5.4.6.2 Injektionskrets med 2-vägsventil ...............................................126

5.5 kv-värde ...................................................................................................127

5.6 Ventilkarakteristik ...................................................................................128

5.7 Systemets karakteristik ..........................................................................129

6 Luftkonditioneringssystem....................................................131

6.1 Termdefinitioner (enligt DIN 1946).........................................................131

6.2 Ventilationsaggregat...............................................................................132

6.2.1 Ytterväggsgaller ........................................................................132

6.2.2 Spjäll .........................................................................................132

6.2.3 Luftfilter .....................................................................................133

6.2.3.1 Klassificering av filter ................................................................134

6.2.3.2 Tryckfall över luftfiltret ...............................................................135

6.2.3.3 Filtertyper ..................................................................................135

6.2.3.4 Fiberfilter (eller ”torra” filter) ......................................................136

6.2.3.5 Metallfilter..................................................................................137

6.2.3.6 Aktivt kolfilter .............................................................................138

6.2.3.7 Elektriska filter...........................................................................138

6.2.3.8 Automatiska filter.......................................................................139




5


6.2.4 Fläktar.......................................................................................140

6.2.4.1 Fläkt- och systemkarakteristik ..................................................141

6.2.5 Luftvärmare...............................................................................143

6.2.6 Kallvattenluftkylare....................................................................145

6.2.7 Direktexpanderande luftkylare (DX-kyla) ..................................145

6.2.8 Luftfuktare.................................................................................146

6.2.8.1 Förångningsluftfuktare ..............................................................146

6.2.8.2 Ångfuktare ................................................................................147

6.2.9 Avfuktning .................................................................................148

6.2.10 Återvinning................................................................................150

6.2.10.1 Typer av återvinning .................................................................150

6.2.11 Sorptiv kylning ..........................................................................153

6.2.12 Tilluftsdon .................................................................................154

6.3 Strategier för luftkonditionering............................................................154

6.3.1 Luftburna system ......................................................................156

6.3.1.1 Enkanalssystem utan efterbehandling......................................156

6.3.1.2 Enkanalssystem med efterbehandling......................................157

6.3.1.3 Tvåkanalssystem......................................................................158

6.3.1.4 Variabelflödessystem (VAV) .....................................................159

6.3.2 Luft-/vattenburna system ..........................................................160

6.3.2.1 Undanträngande (deplacerande) luftföring ...............................160

6.3.2.2 Kyltak ........................................................................................161

6.3.2.3 Fan coil-apparater (fläktkonvektorer)........................................162

6.3.2.4 Fan coil-apparater med primärluft och induktionssystem .........163

6.3.2.5 Hydraulisk anslutning av fan coil- och induktionssystem..........165

6.4 Enhetsaggregat.......................................................................................167

6.4.1 Fönsteraggregat .......................................................................167

6.4.2 Konsolaggregat.........................................................................168

6.4.3 Skåpaggregat (rumsaggregat)..................................................169

6.4.4 Splitaggregat.............................................................................170

6.5 Bostadsventilation..................................................................................171

6.5.1 System för mekanisk bostadsventilation...................................171

7 Mät- och reglerteknik............................................................. 173

7.1 Introduktion.............................................................................................173




6


7.2 Mätning ....................................................................................................174

7.2.1 Mätelement ...............................................................................176

7.3 Styrning....................................................................................................177

7.3.1 Begrepp rörande styrning..........................................................177

7.4 Reglering..................................................................................................178

7.4.1 Begrepp kring reglering (enligt definitionen i DIN 19226) .........181

7.5 Byggnadsautomationssystem ...............................................................183




7


1 Byggnadsteknik 1.1 Inledning

När man ser ut över en stad märker man att den består av många olika typer av byggnader. Det kan vara bostäder, kontorslokaler, skolor, teatrar, sportarenor, sjukhus och fabriker.

Fig. 1-1 Stadsbild

Alla dessa byggnader har en sak gemensamt. De har byggts för att skydda användarna från påverkan utifrån, för att ge säkerhet och trygghet inomhus samt för att säkerställa behagligt inomhusklimat.

I industriländerna tillbringar de flesta människor cirka 95 procent av sina liv inomhus. Därför är kvaliteten på inomhusmiljön väldigt viktig för vår hälsa och vårt välmående. Man började inse vikten av en sund inomhusmiljö när antalet sjukdomsfall till följd av sjuka hus ökade dramatiskt. Det finns många skäl till att man kan uppleva en inomhusmiljö som mindre behaglig. Vissa kan mätas objektivt, men många av problemen rör även individen och dennes sociala miljö. De mätbara orsakerna till dålig inomhuskomfort omfattar dålig luftkvalitet, för hög eller för låg rumstemperatur eller luftfuktighet, kalla eller varma omgivande ytor, drag, olämplig belysning och buller. Människans behov av en behaglig miljö stannar dock inte vid vår egen entrédörr eller vid dörren till arbetsplatsen. Den stäcker sig även till shoppingcentra, utställningshallar, sportarenor, gym, museer, teatrar – detta är platser där känslan av välbefinnande är tätt knuten till upplevelsen av inomhuskomforten. Varje individs upplevelse av miljön i en byggnad eller ett rum har en stor inverkan på känslan av välmående. Ett effektivt byggnadsautomationssystem ligger till grund för goda ”byggnadsprestanda”, vilket kan definieras som ett harmoniskt samspel mellan byggnadens arkitektur, tekniska system och inomhuskomfort. Trots att de flesta processer har automatiserats är det mycket viktigt att ta hänsyn individernas behov av personliga anpassningar vid konstruktion av byggnadsautomationsssystem.

Byggnadstyper

Inomhuskomfort

Byggnadsautomation




8


1.2 Byggnadens skal Ur värme- och ventilationssynpunkt fungerar byggnadens skal som en buffert mellan den kontrollerade inomhusmiljön och extern påverkan som utetemperatur, solstrålning, vind, regn och snö.

Det är särskilt viktigt att ta hänsyn till de möjliga kombinationerna av extern påverkan som vind och regn, solstrålning och höga temperaturer, eller solstrålning och låga temperaturer.

Byggnadens skal måste konstrueras för att stå emot dessa typer av väderberoende påverkan och hantera dem med hjälp av byggnadsteknik. Beroende på var byggnaden finns kan skalet eventuellt behöva skydda mot buller från vägar, järnväg eller flygtrafik och i vissa fall även mot buller från industrier.

Fig. 1-2 Extern och intern påverkan på en byggnad

De som bor i, eller använder, en byggnad vill också vara skyddade mot intrång och mot att obehöriga tar sig in i fastigheten. Brandskydd är en annan viktig funktion för byggnadens skal.

Dagens miljötänkande med krav på att energin för värmning eller kylning av en byggnad ska användas på ett optimalt sätt, har lett till stora förbättringar av isoleringen av byggnader, samt även till ett utnyttjande av värmeöverföring via byggnadens skal. Trots att värmegenomgångskoefficienten (U-värdet) anger den specifika värmeförlusten, beskriver den inte byggnadsskalets värmelagringsförmåga som, om den utnyttjas på rätt sätt, utgör en viktig möjlighet till minskad energianvändning.

Ett exempel: I en kontors- eller skolbyggnad, som inte används under nattetid, kan den svala nattluften användas för att kyla byggnadens skal inifrån, med hjälp av ventilation (sommarnattkylning). Om det finns tillräckligt med värmelagrande massa kommer byggnaden att vara behagligt sval även under de varmaste timmarna följande dag med hjälp av kylåtervinning och persienner som skyddar mot direkt solstrålning, utan behov av ytterligare kylutrustning.

Skydd mot omgivningen

Säkerhet

Energi




9


1.3 Teknisk utrustning i byggnader Den tekniska utrustningen varierar beroende på typen av byggnad och dess användning.

Fig. 1-3 Teknisk utrustning i en byggnad

Byggnader innehåller omfattande tekniska installationer som fortlöpande blir allt mer avancerade. Termen byggnadsteknik eller standardbeteckningen (DIN) teknisk utrustning i byggnader avser all permanent installerad teknisk utrustning, inuti och utanför byggnaden, som är avsedd att säkerställa korrekt drift och allmän användning av byggnaderna. Termen teknisk utrustning i byggnader introducerades för att man ville undvika sammanblandning med termen byggnadstekniska anläggningar som används vid industriell bearbetning. Teknisk utrustning i byggnader omfattar i grunden följande system och installationer:

• Värme- och ventilationssystem • System för värmeåtervinning • Kall- och varmvattensystem • Rör- och kanalinstallationer • Energiförsörjning och distribution • Allmänbelysning • Solskyddssystem • Transportsystem för människor (hissar, rulltrappor) • Automatiska dörrar och portar • Skydds- och säkerhetssystem (brand, inbrottsskydd) • Avfallshanteringsinstallationer för avlopp, rökgas, sopor etc.

System för driftteknik och teknisk utrustning




10


Allt större vikt läggs vid samverkan mellan olika system och deras inverkan på varandra. Byggnaden och dess installationer betraktas inte längre som ett givet, oföränderligt objekt, utan den anpassas dynamiskt till de olika behov som gäller för byggnadens drift.

Beroende på värme- och ventilationssystemets syfte, kan dess funktioner delas in i två underområden:

a. Komfortsystem avser alla installationer som automatiskt ska upprätthålla ett inomhusklimat som får människor att uppleva miljön som behaglig och produktiv i hem, kontor, skolor, sjukhus, restauranter, biografer, teatrar, badhus, shoppingcentra m.m.

b. Processystem avser alla installationer som konstruerats för att skapa och upprätthålla den särskilda inomhusmiljö som krävs för specifik produktion eller lagring eller för särskilda mognadsprocesser.

Syftet med värmeinstallationer är att tillhandahålla en behaglig rumstemperatur under hela uppvärmningssäsongen. Värmeinstallationen genererar media för uppvärmning och även för tappvarmvatten. Värmeinstallationen i en byggnad omfattar värmegenerering, värmedistribution och värmeavgivning. Värmegenerering kan vara en mycket komplex del av värmeinstallationen. Vid sidan av fjärrvärmecentraler och konventionella pannor för trä, gas, olja eller kol, genereras värme också med värmepumpar, kraftvärmeverk, solenergi, eller kombinationer av dessa värmeproducenter (bivalent värmegenerering). Ventilationsinstallationer omfattar system för luftväxling, framför allt i lokaler som fabriker, shoppingcentra, biografer, teatrar och restauranger, dvs. i byggnader där luften förorenas väldigt snabbt. Förutom tillförseln av friskluft, måste tilluftstemperaturen hållas på önskad nivå. Därför använder man luftvärmare eller luftkylare. Vanligast är vattenburna luftvärmare, men ibland används elektricitet eller ånga. Vårt välmående och vår produktivitet påverkas inte enbart av luftens temperatur, utan även av luftens fuktinnehåll, renhet och friskhet, dvs. av inomhusförhållanden som i så stor utsträckning som möjligt är anpassade till vår organism och våra sinnen. Ett luftkonditioneringssystem kan påverka dessa faktorer. Luften konditioneras med hjälp av luftrenare, luftvärmare, luftkylare och, eventuellt, luftfuktare. Dagens luftkonditioneringsteknik omfattar allt från luftkonditioneringssystem för enskilda rum och bostadshus, till de stora installationer som man exempelvis hittar i kontorsbyggnader, köpcentra och flygplatser. Det behöver inte längre vara dyrt att skapa en behaglig miljö i byggnader. System för värmeåtervinning, solskydd och solenergi anses numera i det närmaste vara standard inom byggnadstekniken. Viktigt är att alla system alltid måste styras automatiskt efter behovet, för att utnyttja den tillgängliga energin på bästa möjliga sätt.

Funktioner hos värme- och ventilationssystem

Värmeinstallationer

Ventilationsinstallationer

Luftkonditionering

Strategi som definieras av energikostnader och miljöpåverkan




11


1.3.1 Byggnadsautomation Byggnadsautomationen måste uppfylla olika krav beroende på byggnadens syfte. Följande tre huvudkrav finns:

1. Vårt behov av att uppleva inomhusmiljön som behaglig måste uppfyllas oberoende av extern påverkan. Det innebär att byggnadens skal måste skräddarsys för byggnadens avsedda användning.

2. Byggnadens skal måste skydda boende, användare och deras egendom mot brand- eller vattenskador, skador på utrustning eller attacker från tredje part.

3. Det ska vara möjligt att uppfylla dessa krav med acceptabla investeringskostnader och minimala efterföljande kostnader för energi, drift, underhåll och belåning.

11

7

1

6

4

3

5

12

10

9

8

13

16

15

1418

4

17

19

231

20

15

21

2

322

24

25

26

KommunikationStrömförsörjning

2

11

7

1

6

4

3

5

12

10

9

8

13

16

15

1418

4

17

19

231

20

15

21

2

322

24

25

26

Fig. 1-4 Den intelligenta byggnaden

1 Belysningsstyrning (närvaro och tid) 2 Central larmbetjäningsenhet 3 Porttelefon, fjärrkontroll 4 Fönstersensorer 5 Rörelsedetektor inomhus 6 Rörelsedetektor utomhus 7 Vindgivare (t.ex. skydd av markiser) 8 Utomhussiren med blixtljus 9 Dörrkontakt 10 Styrt vägguttag 11 Regndetektor (t.ex. automatisk stängning av

takfönster) 12 Fuktsensor

13 Radiatorventil med ställdon 14 Solstyrda markiser 15 Reglering av rumstemperatur 16 Pannstyrning 17 Utetemperaturgivare 18 Solfångare 19 Styrning av jalusier och persienner 20 Infraröd fjärrkontroll 21 Central manöverenhet 22 Porttelefon med videokamera 23 TV för övervakning 24 Tidsstyrd ugn 25 Tidsstyrd diskmaskin 26 Tidsstyrd tvättmaskin

Den intelligenta byggnaden




12


Man behöver inte installera all tillgänglig teknisk utrustning i en byggnad. Det räcker att använda en rimlig teknisk nivå, dvs. sådant som är relevant och som skyddar byggnaden efter det enskilda behovet. Besluten tas vid projekteringen, då alla lokalt rådande förhållanden beaktas och alla krav analyseras noggrant. Byggnadsteknik med välplanerade koncept kräver konstruktörer med ett omfattande kunnande om de grundläggande principerna för byggnadskonstruktion, värmelära, flödesmekanik samt kemiska och miljömässiga påverkningar. Intelligent byggnadsteknik kräver intelligenta konstruktörer. Vill du veta mer? Mer information inneklimatkrav finns i skriften ”R1 – Riktlinjer för inneklimatkrav”, Lars Ekberg, utgiven av VVS Tekniska Föreningen Mer information om krav på luftväxling finns i skriften ”Minimikrav på luftväxling – Tolkat av Håkan Enberg” utgiven av Svensk Byggtjänst

Projektering av teknisk utrustning i byggnader




13


2 Fysikaliska principer 2.1 Inledning

Fysiken är ett brett område och i det här kapitlet beskrivs tillämpningen av termodynamik (värmelära) och hydrodynamik (läran om vätskor) i värme- och luftkonditioneringssystem. Dessutom behandlas värme- och luftkonditioneringssystem med avseende på komfort. Vi börjar med en introduktion av termerna som används:

• Termodynamik: Läran om energi, speciellt värmens natur och dess omvandling till andra energiformer och dess möjlighet att uträtta arbete. Grunderna i värmeläran beskrivs i kapitel 2.2.

• Hydrodynamik: Läran om hydromekaniken som rör flödet av inkompressibla material, dvs. huvudsakligen strömmande vätskor. Flöden med kraftiga variationer i densiteten behandlas i gasdynamiken. Hos statiska vätskor finns en gräns där hydrodynamiken reduceras till hydrostatik.

Namnet ”Système International d`Unités” (internationella enhetssystemet) och förkortningen SI antogs av den 11:e Allmänna konferensen för massa och vikt år 1960. SI-enheter består av sju grundenheter och härledda enheter med en enhetsfaktor.

Grundenhet SI-grundenhet

Benämning: Beteckning:

Längd meter m

Massa kilogram kg

Tid sekund s

Elektrisk ström Ampere A

Absolut temperatur och temperaturskillnad Kelvin K

Koncentration mol mol

Ljusstyrka candela cd

Härledda enheter formas genom att basenheterna multipliceras eller divideras. Det samma gäller för symbolerna. Exempelvis är SI-enheten för hastighet: meter dividerat med sekunder (m/s).

SI-enheter




14


2.2 Värmelära Värme uppstår exempelvis när en rymdkapsel återinträder i jordens atmosfär med en hastighet av närmare 40 000 km/h. 2 000-3 000°C alstras när luftens atomer krockar med värmeskölden och orsakar svängningar i sköldens atomer. I det här fallet uppstår värmen av friktionen som orsakas av kapselns förlust av rörelseenergi. I alla material, oavsett om de har fast form, flytande form eller gasform, är atomerna eller molekylerna alltid i rörelse, (Fig. 2-1). Detta är definitionen av värme, dvs. atomernas eller molekylernas rörelser. Ju större rörelse, desto högre värme alstras. När vi mäter temperaturen hos en substans, är det dessa rörelser vi mäter.

Fig. 2-1 Värme är friktion mellan atomer och molekyler i rörelse

Om ett metallstycke hålls över en låga stimuleras dess atomer termiskt. Atomerna börjar svänga häftigt och metallen blir varmare. Metallen expanderar eftersom atomernas svängningar reducerar deras ömsesidiga dragningskraft (bindningskraft). Om upphettningen fortsätter så förlorar atomerna i metallen sin inbördes ordning. Metallen smälter och enskilda atomer tränger dessutom ut genom ytan som ånga, eller mer exakt, lämnar den fluidiserade ytan som gas. Vi har nu lärt känna de tre termodynamiska tillstånden:

• fast form • flytande form • gasform Medan atomerna och molekylerna oupphörligen stöter samman, äger ett annat förlopp rum som uppfattas som värme. När atomerna krockar slungas enskilda elektroner, som ständigt cirklar kring atomkärnan, tillfälligt bort från sin normala position till en bana som ligger längre ut (Fig. 2-2). Det här tillståndet är dock instabilt och de återgår relativt snabbt i små steg till sin normala bana. Eftersom ingen energi kan försvinna, avger de lika mycket energi i form av elektromagnetisk strålning, som krävdes för att de skulle slungas ut i den nya banan.

Om denna strålning träffar andra atomer eller molekyler, t.ex. på vår hud, ökar dessa atomers eller molekylers rörelse, och vi upplever detta som värme. Denna strålning, som uppstår till följd av värme och som genererar värme, kallas värmestrålning eller infraröd strålning. Den är inte synlig för ögat. Via strålningen möjliggörs värmeövergång utan en materialtransportör mellan värmekällan och den bestrålade kroppen. Det är exempelvis så här strålningsenergi från solen överförs till jorden.

Alla varma material avger ständigt värmestrålning. Det gäller även för metallen som värmdes och för lågan som användes för att värma den. När lågan avlägsnas blir atomernas svängningar omedelbart svagare, temperaturen sjunker och värmestrålningen minskar. På samma sätt som när lågan stimulerade metallen

Hur uppstår värme?

Tillståndsändring

Strålning




15


termiskt, stimulerar nu den uppvärmda metallen den svalare omgivningen, t.ex. den omgivande luften och den tång som metallen hölls med. I den här processen minskar metallens inre energi ända tills metallens temperatur är i jämvikt med den omgivande temperaturen. Atomerna befinner sig dock inte i vila i det här läget utan svänger med en energi som motsvarar temperaturen.

Fig. 2-2 Elektromagnetisk strålning genom elektronernas återgångsenergi

Om två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge.

Summan av all energi i ett slutet system är konstant. Energi kan inte gå förlorad och inte uppstå ur intet, utan endast omvandlas till andra energiformer.

Kinetisk energi eller rörelseenergi är den mekaniska energin hos en kropp i rörelse. Kärnenergi är den bindningsenergi som finns hos en atomkärna. Den frigörs eller utnyttjas under en kärnreaktion. I kommersiella syften har man hittills enbart utnyttjat den energi som frigörs vid kärnfissionsprocesser i kärnkraftverk. I en atomreaktor träffar atompartiklar material som inte kan fissionera i mycket hög hastighet. Elektromekanisk energi är mekanisk energi som genereras av elektricitet. I värmemotorer genereras mekanisk eller elektrisk energi från värme. Potentiell energi är den energi som en kropp eller partikel har till följd av dess position i ett kraftfält eller till följd av dess samverkan med andra närliggande kroppar eller partiklar. Potentiell energi finns exempelvis i en upplyft kropp, en fjäder som är spänd eller i vattnet i en bergsdamm. Vattenkraft omvandlas till elkraft som i sin tur omvandlas till elvärme eller kraft som driver motorer eller elbelysning. Ljusenergi lagras som kemisk energi i atomerna och molekylerna hos organiska ämnen. Denna energi kan frigöras i en förbränningsprocess som värme, ljus och kraft. Värme uppstår under omvandlingsprocesser och är samtidigt en energiform. Mekaniskt arbete kan omvandlas till värme. Återomvandling av värme till mekaniskt arbete kan endast ske till en viss del. Det sker alltid förluster.

Värmelärans nollte huvudsats

Värmelärans första huvudsats




16


Alla värmeflödesprocesser förlöper alltid från det varmare till det kallare mediet. Värme kan aldrig av sig självt förflyttas från en kropp med lägre temperatur till en kropp med högre temperatur.

En varmare kropp stimulerar omedelbart termiskt en kallare kropp och förlorar därigenom inre energi. Detta fastställer riktningen för alla värmeflöden. Den avkylning som vi kan förnimma är aldrig en överföring av kyla utan alltid kroppens värmeförlust.

Alla processer upphör vid absoluta nollpunkten (0 K)

Storheten för värmeinnehållet är, vid sidan av tryck, densitet och specifik volym, temperaturen. Atomernas oscillation i ett uppvärmt material visar att den lägsta temperaturen, den absoluta nollpunkten, enbart kan nås om partikelrörelsen upphört, dvs. när det inte längre sker någon oscillation alls.

Det är i praktiken omöjligt att nå denna punkt, eftersom en minimal värmemängd räcker (t.ex. från behållaren eller till och med från termometern) för att förhindra att ämnets temperatur sjunker tillräckligt lågt.

Den relativa temperaturskalan (Celsiusskalan) baseras på vattnets temperaturberoende materialegenskaper (fryspunkt och kokpunkt).

Celsiusskalan utvecklades av den svenske astronomen och fysikern Anders Celsius år 1742 (1701-1744). Enheten för relativa temperaturskalan är grader Celsius (°C).

Celsiusskalan används för att mäta temperaturnivåer.

Kalibreringspunkter: 0°C = vattnets fryspunkt 100°C = vattnets kokpunkt vid ett standardlufttryck på 1,013 bar

Den absoluta temperaturskalan (Kelvinskalan) baseras på den absoluta nollpunkten enligt Lord William Thomson Kelvin, brittisk fysiker (1824-1907). Absoluta nollpunkten motsvarar -273,15°C. Enheten för absoluta temperaturskalan är Kelvin (K).

I jämförelse med Celsiusskalan är 0°C = 273,15 K och därmed

n K = 273,15 + n °C = absolut temperatur T i Kelvin.

Temperaturdifferenser ΔT anges också i Kelvin.

Temperatur kan mätas genom värmeutvidgningen hos fasta ämnen (huvudsakligen metaller), värmeutvidgningen hos vätskor (t.ex. alkohol i en termometer), eller genom ändringar i det elektriska motståndet.

Värmelärans andra huvudsats

Värmelärans tredje huvudsats

Temperatur

Celsius

Kelvin




17


Fig. 2-3 Temperaturskalor

Nollpunkt: 0°C = 273,15 K = 32°F Celsiusgrader till Kelvin: K = °C + 273,15 Celsiusgrader till Fahrenheit: °F = °C * 1,8 + 32

Exempel: 10°C = 283,15 K = 50°F

Temperaturnivåer betecknas med bokstaven t. Exempelvis: t =7°C.

När tiden ”t” förekommer i formler, beräkningar eller dokumentation finns risken för förväxlingar mellan temperatur och tid. Då kan den grekiska bokstaven ϑ (”theta”) användas för temperaturnivåer.

Om flera temperaturnivåer specificeras i samma objekt används indexsiffror/-bokstäver. De är normalt de första bokstäverna i den relevanta termen: Exempelvis: tR (rumstemperatur), tU (utomhustemperatur)

Olika temperaturer i ett rum, i en panna eller längs en yta numreras (Fig. 2-4).

Medeltemperaturen för ett antal temperaturer betecknas som tm

Temperaturdifferenser betecknas som ΔT i Kelvin.

Fig. 2-4 Indexering av olika temperaturer i samma objekt

Jämförelse och omvandling mellan de olika skalorna

tF

tR

t4

t3

t2

t1

t 1

t3

t4t 5

t2

tm




18


2.2.1 Värmeutvidgning i fasta ämnen Alla ämnen, fasta, flytande och gasformiga, utvidgas när de värms upp. Hur mycket de utvidgas varierar dock. Värmeutvidgningen sker med stor kraft. Därför måste exempelvis broar glidlagras och vara försedda med töjbara fogar, så att de inte spricker på vintern och förstör bärlagren på sommaren.

Inledningsvis görs en jämförelse av skillnaden i utvidgning vid uppvärmning av en stål- och en kopparstav som båda är en meter långa:

Temperaturförändring Stål Koppar

-100°C till 0°C + 1,67 mm +2,65 mm

0 C till 100°C + 1,20 mm +1,65 mm

100 C till 200 C + 1,31 mm +1,73 mm

200°C till 300°C + 1,41 mm +1,77 mm

300°C till 400°C + 1,52 mm +1,92 mm Värmeutvidgning hos stål och koppar

Olika ämnen utvidgas på olika sätt i enlighet med den linjära utvidgningskoefficienten α.

Värmeutvidgning

Linjär utvidgning Endast för utvärdering



19


Koefficienten för linjär utvidgning är längdökningen hos en kropp då temperaturen stiger 1 K. Utvidgningskoefficienten ökar vid stigande temperatur och därför används fasta medelvärden i beräkningar.

Material α [mm/K]

Material α [mm/K]

Järn (Fe) 0,012 Platina (Pt) 0,009

Aluminium (Alu) 0,024 Koppar (Cu) 0,017

En radiator av stål med längden 5 m utvidgas därmed ca 0,6 mm per meter vid uppvärmning med 50 K, dvs. ungefär 3 mm (Fig. 2-5). Det är en betydande utvidgning. På vintern skulle radiatorn utvidgas så här mycket varje morgon om uppvärmningssystemets framledningstemperatur stiger från 20°C till 70°C på bara några minuter. Om radiatorn är helt infäst så att den inte har något spelrum, hörs knäppningar när den ”insisterar” på att utvidgas. I system med instabil reglering där radiatortemperaturen ständigt svänger kan knäppningarna höras hela dagen.

Fig. 2-5 Värmeutvidgning hos en radiator av stål

Ämnenas värmeutvidgning innebär inte enbart problem, de kan även utnyttjas tekniskt.

Bimetall består av två metaller med olika utvidgningskoefficient som pressas samman till en enhet (Fig. 2-6). Vid uppvärmning böjs metallen (1), eftersom dess ena sida utvidgas mer än den andra. Ju längre bimetallen är och ju högre temperaturen är, desto kraftigare blir böjningen. En cirkel- eller spiralformad bimetall som förses med en visare och korrekt skala, blir en bimetalltermometer (2). Om bimetallen utrustas med en kontakt blir den en termostat, dvs. en temperaturberoende brytare (3-4).

Bimetall

5000 mm 20°C5003 mm 70°C

+ 3 mm /50°C




20


Fig. 2-6 Bimetallens användningsområden 1 Arbetssätt hos bimetall 2 Bimetalltermometer 3 Termostat av bimetall 4 Termostat av bimetall med accelerationsmotstånd

Reglersystem med bimetall används ofta i tekniska applikationer: I enkla konstruktioner som säkerhetsbrytare mot överhettning (t.ex. motorskydd) och i konstruktioner med justerbara brytpunkter som termostater. Det temperaturkänsliga bimetallstycket kallas en bimetallgivare.

Om ett bimetallstycke som är helt rakt vid exempelvis 20°C plötsligt utsätts för en temperatur på 50°C, kommer det omedelbart att börja böjas. Böjningen avtar inte förrän hela bimetallstycket värmts upp till 50°C. Vid identiska förhållanden är tidsåtgången alltid den samma. Bimetallstycken lämpar sig därmed för tillverkning av termostater (4) för processer som, beroende på applikationen, fördröjer eller accelererar till- eller frånkoppling. Ett litet elektriskt uppvärmningsmotstånd kan användas för att värma upp bimetallstycket och därigenom accelerera kopplingssekvensen.

Regulatorer med stavutvidgningsgivare är besläktade med temperaturregulatorer med bimetallgivare. Röret och staven som används i denna konstruktion består också av två metaller med olika utvidgningskoefficienter. Kopplingsfunktionen aktiveras av den längddifferens som uppstår vid uppvärmning.

Stavutvidgningsgivare

Termostater med stavutvidgningsgivare används i första hand som temperaturregu-latorer eller larm för vätska eller gas i beredare, pannor, rörledningar etc. Mediet kan flöda runt givaren så att den snabbt får samma temperatur som mediet, medan funktionsdelen är kvar utanför behållaren. Då är den lätt att komma åt och är skyddad mot överhettning.

1 2 3 4

t t




21


2.2.2 Värmeutvidgning i vätskor Den molekylära sammanhållningen i vätskor är mindre än hos fasta ämnen. Vätskor utvidgar sig mer vid uppvärmning. Likt de fasta ämnena har de flytande ämnena varierande utvidgningskoefficienter och utvidgas mer per K vid högre temperaturer än vid lägre temperaturer.

Vid ett konstant tryck är symbolen för volymutvidgning för vätskor och gaser β (Beta) [1/K].

Vätska β,10-3/K Vätska β,10-3/K Bensin 1,20 Vatten (20-70°C) 0,20 till 0,59 Eldningsolja 0.7 Toluen 1,08

Värmeutvidgningen hos vätskor utnyttjas också för termometrar samt vid konstruktion av temperaturberoende givare (Fig. 2-7).

Hos termometern (1), utvidgas vätskan i kulan vid uppvärmning och stiger i röret. Om man vill mäta den exakta vätsketemperaturen, måste hela termometern inklusive röret doppas i vätskan eftersom vätskan i röret också utvidgas.

Fig. 2-7 Vätskors värmeutvidgning 1 Termometer 2 Vätskeutvidgningstermostat 3 Självverkande styrventil

Termostater som har ett givarelement (bulb) för vätskeutvidgning är i princip konstruerade på samma sätt (2). Givarelements kapillärrör, metallhölje och membran är oljefyllda. När oljan värms och därmed utvidgas stiger membranet och aktiverar kopplingsfunktionen.

Membranet kan aktivera en ventil istället för en elektrisk brytare. Resultatet blir en självverkande styrventil (3).

Volymutvidgning

1 2 3




22


2.2.3 Vatten Liksom alla vätskor ökar även vatten i volym. Medan övriga vätskor ökar sin volym från respektive smältpunkt för varje K som temperaturen stiger, så minskar volymen hos vatten från 0 till 4°C (vattnets anomali) och först därefter beter det sig som andra vätskor, dvs. ökar i volym.

1 000 kg vatten

– 1°C cirka 1 090,0 liter0°C 1 000,2 liter2°C 1 000,1 liter4°C 1 000,0 liter

10°C 1 000,4 liter20°C 1 001,8 liter30°C 1 004,4 liter40°C 1 007.9 liter50°C 1 012,1 liter60°C 1 017,1 liter70°C 1 022,8 liter80°C 1 029,0 liter90°C 1 035.9 liter

100°C 1 043,5 literVolymändring hos vatten som en funktion av temperaturen

Tabellen ovan visar även vattnets volymökning i ett värmesystem. Anta att det finns 1 000 liter vatten som är 20°C i en panna, rör och radiatorer. Anta även att systemet ofta drivs med en vattentemperatur på 70°C under vintern.

Detta medför en volymökning på 21 liter.

Dessa 21 liter måste rymmas någonstans för att inte systemet ska brista. Därför har alla vattenburna värmesystem ett expansionskärl.

När vatten ökar i volym, blir det lättare eftersom densiteten [kg/l] förändras.

Volymändring




23


Massans densitet har beteckningen ρ [rho], vilket är kvoten av en kropps massa och volym. Densiteten är beroende av kroppens ämne och av trycket och temperaturen (detta gäller särskilt gaser och vätskor). SI-enheten för densitet är kg/l

Ämne Densitet kg/l

Guld 19.3 Uran 18.7 Bly 11.35 Järn 7,86 Aluminium 2,699 Sand (torr) 1,5-1,6 Betong 1,5-2,4 Vatten (vid 4ºC) 1,000

Vatten 0,9982 Is (vid 0ºC) 0,917 Trä (torrt) 0,4-0,8 Skummaterial 0,02-0,05

Densitet hos vissa fasta ämnen och vätskor i kg/l vid 20º

Vid 20°C väger 1 000 liter vatten cirka 1 000 kg och vid 90°C cirka 965 kg.

Stigkraften förändras när densiteten förändras, så ämnen med lägre densitet flyter ovanför ämnen med högre densitet. Det betyder att varmt vatten alltid strävar uppåt och skiktar sig över det kallare vattnet. Denna skiktning kan vara mycket tydlig t.ex. när man badar i en sjö eller i havet.

Vintertid blir skiktningen omvänd med 4°C vatten vid sjöns botten och den kallare isen på sjöns yta.

Fig. 2-8 Temperaturskiktning i en varmvattenberedare

I värmeanläggningar används det varma vattnets strävan uppåt för självcirkulation.

I pannor och varmvattenberedare strävar det uppvärmda (och utvidgade) vattnet så snabbt efter att stiga att det enbart avger en liten del av sin värme till det omgivande kalla vattnet (Fig. 2-8). Således samlas det varma vattnet upptill och tappas också av därifrån. Det kalla vattnet strömmar till underifrån. Temperaturskiktningen är så stabil att den knappast ens påverkas av virvlar från det tillströmmande kallvattnet.

Densitet




24


Det varma vattnets egenskap att skiktas över det kallare ger även en del oönskade effekter. I exempelvis bassänger går det inte att bara fylla på varmvatten genom ett tillflöde uppifrån eller nedifrån. Det skulle med största sannolikhet leda till en temperaturskiktning. I en bassäng med temperaturskiktning är det dessutom mycket svårt att mäta en relevant vattentemperatur. För att undvika detta problem sprutas filtrerat och värmt vatten in på flera ställen längs bassängbotten.

Det varma vattnets tendens att skiktas över kallt vatten är så stark att skiktning kan finnas kvar över långa sträckor i rörledningar (Fig. 2-9). Detta måste beaktas vid placering av temperaturgivare eller temperaturregulatorer i rörledningar.

Fig. 2-9 Temperaturskiktning i strömmande vatten i en rörledning

Vi har nu lärt oss att värme är svängningar hos atomer eller molekyler. Värme är en energiform, och ämnets temperatur är ett mått på hur kraftiga svängningarna är hos ämnets partiklar. Vi har dessutom sett att ökade svängningar (= ökande temperatur) får ämnets struktur att bli lösare, att det expanderar, och att fasta ämnen omvandlas till vätskor och vätskor till gas.

Vatten har högst densitet vid 4°C och ökar i volym både när värme tillförs och avlägsnas. Vätskor minskar i volym när de stelnar (fryser) men vatten utvidgas med 1/11 av sin volym (Fig. 2-10). Därför bryts klippor, vägbeläggningar, husfasader, rörledningar, radiatorer osv. sönder med stor kraft vid isbildning.

Fig. 2-10 Vattnets volymökning vid frysning

Temperaturskiktning

Sammanfattning

Vattnets anomali

t1

t2

t1

t 2

tm

V V

111 V

+ 10°C 0°C - 10°C




25


Frysskador i värmesystem uppstår för det mesta i delar som är ur drift och inte har tömts på media, eller när uppvärmningen sänks kraftigt under vintern. I ventilationssystem blåser man vintertid uteluft med en låg temperatur genom luftvärmare som värms med varmvatten. För att förhindra sönderfrysning installeras en frysvakt som övervakar temperaturen i luftvärmaren.

Vi ska nu behandla vattnets aggregationstillstånd (fast-/flytande-/gasform) lite närmare. Vi vet att vatten förångas. Detta har sin grund i molekylernas rörelser. Molekyler i vätska svänger inte kring fasta punkter som de gör i fasta ämnen. På grund av detta kan de molekyler som når vattenytan enkelt frigöra sig från den. Vissa av dem går tillbaka ned i vattnet och resten ligger kvar som vattenånga i luften. Varje partikel som slipper fri och transporteras bort av vinden för med sig sin förångningsvärme. När denna process sker på vår hud, märks värmeförlusten från förångningen tydligt som en avkylningseffekt.

Anta att vi har en halvfylld behållare med vatten som täcks över (Fig. 2-11). Eftersom behållaren är övertäckt kan luften inte längre föra bort de förångade vattenmolekylerna. Detta innebär att en blandning av vattenånga och luft bildas över vattenytan när fler och fler vattenmolekyler förångas. En del vattenmolekyler återgår även till vattnet från blandningen av luft och vattenånga. Fler vattenmolekyler lämnar vattenytan än vad som återgår till den ända tills ett dynamiskt jämviktsläge nås, där antalet vattenmolekyler som lämnar vattenytan är lika med antalet som återgår till vattnet. I det här läget säger man att luften är mättad med vattenånga.

Fig. 2-11 Dynamiskt jämviktsläge i en sluten behållare med vatten

Om vattentemperaturen stiger kommer vattenmolekylernas svängningar att bli kraftigare och fler kan frigöra sig från vattenytan. Återigen lämnar fler vattenmolekyler vattenytan än vad som återgår tills ett nytt dynamiskt jämviktsläge nås. Ju mer temperaturen ökar, desto större blir alltså andelen vattenånga i blandningen av luft och ånga.

Om vattnet värms upp kraftigt bildas bubblor av het ånga i det. Vattnet kokar. Nu sker ångbildningen inte längre enbart på vattenytan utan även i vattnet. Vi fortsätter att värma upp behållaren så att mängden ånga ökar kontinuerligt (kokningen ökar trots att vattentemperaturen förblir den samma). Slutligen har ett så högt tryck skapats i behållaren att locket lyfts och en del av ångan kan strömma ut (Fig. 2-12). Man kan även säga att ånga behöver större volym än vatten vid samma tryck.

Förångning

Kokpunkten




26


Fig. 2-12 Vid samma tryck behöver ånga större volym än vatten

Vid normalt lufttryck kokar vatten vid 100°C, men vad menar man då med ”normalt lufttryck”?

Definitionen säger att normalt lufttryck föreligger om luftens vikt vid havsytan är 101,325 N/m2 (eller 101,3 kPa = 1,013 bar). Det betyder att en luftpelare med en tvärsnittsyta på 1 m2 som sträcker sig ut i rymden har denna vikt.

Koktemperaturen är beroende av trycket på vattnet. Ju högre trycket är på vattnet, desto större måste alltså vattenmolekylernas svängningar vara, dvs. desto högre temperatur krävs för att omvandla vatten i flytande form till ånga.

Det går därmed att dra slutsatsen att kokpunkten stiger när lufttrycket är högre än normalt. Ett exempel: Vid 1,5 bar (ett övertryck på 0,5 bar), t.ex. i en tryckkokare, kokar vatten vid cirka 110°C (Fig. 2-13).

Fig. 2-13 Lufttrycket och vattnets kokpunkt beror på höjden över havsytan

100°C

0,7 bar1 bar

1,5 bar

110°C0 m ü. M.

90°C 3 000 m över havsytan

0 m över havsytan




27


Vattnets kokpunkt, dvs. den temperatur där vattnet övergår från fast form till ånga, är beroende av trycket enligt nedanstående diagram (Fig. 2-14).

Fig. 2-14 Diagram över temperatur/tryck för mättad ånga

Vattentemperaturer över 100°C förekommer ofta i fjärrvärmesystem. Det betyder att trycket i rörledningsnätet måste vara högre än 1 bar för att förhindra att vattnet kokar.

I nästa steg undersöks den energimängd som krävs för att omvandla is till vatten och sedan till ånga. Relationen visas i diagrammet över temperatur/entalpi (Fig. 2-15).

Fig. 2-15 Diagram över temperatur/entalpi för vatten vid ett lufttryck på 1 013 mbar

För att värma en liter vatten från 0°C till 100°C, krävs 419 kJ (A B). Temperaturen förblir inte konstant under processen. Sensibel (märkbar) värme överförs.

Vid 100°C börjar vattnet även att förångas internt och ånga bildas. Om värmetillförseln nu skulle upphöra, sjunker vattentemperaturen direkt, den interna förångningen avstannar och ångbildningen upphör. För att omvandla en liter vatten helt till ånga måste värme tillföras tills det inte finns något vatten kvar. För att uppnå detta krävs ytterligare 2 257 kJ, dvs. mer än fem gånger den värmemängd som krävs för att värma vattnet från 0°C till 100°C (B C).

115

100

-335 2257419

28,3

0 419 2676 2704,3h (kJ / kg)

010

A

B CD

210

400 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

(kPa)

(bar) Tryck

200

190

180

170

160

150

140

130

120 110

100

90

80

70

60

50

Tem

pera

tur

(°C)

t (°C)




28


Temperaturen ligger konstant på 100°C under omvandlingen. Det innebär att ingen sensibel värme överförs. Istället används den latenta (dolda) värmen från förångningen för att omvandla vattnets tillstånd från vätska till gas, kallat latent förångningsvärme.

Eftersom energi inte kan försvinna, innehåller ett kilo ånga vid 100°C värmeenergin 419 + 2 257 kJ = 2 676 kJ. Därför säger man att ångan har entalpin (värmeinnehållet) 2 676 kJ/kg.

För att omvandla ett kilo is vid 0°C till en liter vatten vid 0°C krävs 335 kJ. Temperaturen förblir konstant även under den här omvandlingen. Ingen sensibel värme överförs. Den värme som krävs för att omvandla fast vatten (is) till flytande vatten kallas latent fusionsvärme.

Vattnets tillståndsförändring kan återges på flera olika sätt. Fig. 2-15 visar temperaturberoendet för värmetillförseln vid konstant tryck. Områdena för sensibel och latent värmeöverföring kan tydligt identifieras. Vattnets värmeinnehåll, dvs. dess entalpi, ökar när värme tillförs.

De här förhållandena kan även illustreras genom diagram över tryck/temperatur eller tryck/entalpi samt tabeller över vatten/ånga (Fig. 2-14).

Sensibel värme är den märkbara värme som tillförs ett ämne (t.ex. via en panna eller en värmeväxlare). Sensibel värme kan mätas med en termometer.

Latent värme är den dolda värme som tillförs ett ämne för att dess tillstånd ska förändras helt från fast till flytande eller från flytande till gas. Temperaturen ändras inte under omvandlingen.

Entalpi är summan av sensibel och latent värme hos ett ämne. Om processer med stora tryck- och volymförändringar (t.ex. komprimering) används, måste det mekaniska arbetet (potentiell energi) som utförs på ämnet läggas till.

Med undantag för vattnets unika beteende mellan 0°C och 4°C, och det faktum att varje vätska har sin egen specifika utvidgningskoefficient, gäller allt som sagts om vatten även för andra vätskor.

2.2.4 Värmeutvidgning hos gaser Tre pelare bestående av järn, vatten respektive luft med en tvärsnittsyta på 1 cm2 och en längd på 10 cm värms upp 100 K. Därefter jämförs värmeutvidgningen hos de tre ämnena. Resultatet visas i Fig. 2-16.

Fig. 2-16 Värmeutvidgning hos järn, vatten och luft

Sammanfattning

Sensibel värme

Latent värme

Entalpi

10 cm

1 cm²

ΔΤ = 100 K

Järn

Vatten

Luft

+ 0,036 cm³

+ 0,21 cm³

+ 3,65 cm³




29


Här följer anledningen till varför skillnaden är så stor. Hos järn är atomerna fast sammanhållna, hos vatten är förhållandet lösare och hos gaser finns det bara en ytterst liten ömsesidig dragningskraft mellan atomerna. Ju lägre den ömsesidiga dragningskraften är, desto kraftfullare är den termiska stimulansen (när svängningarna hos atomerna och molekylerna ökar krävs mer utrymme).

Fasta och flytande ämnen utvidgas beroende på ämnet medan alla gaser beter sig praktiskt taget likadant. Detta beteende kallas ofta ideal gas, dvs. en gas som följer nedanstående lagar:

Lagen upptäcktes av R. Boyle och E. Mariotte: Vid en given mängd ideal gas, är produkten av tryck p och volym V vid konstant temperatur en konstant. Densiteten r uppträder på samma sätt som det associerade trycket.

Tryck: p1 * V1 = p2 * V2

Densitet: r1 * V1 = r2 * V2

Gay-Lussacs lag säger att volymen V av en gas vid konstant tryck p ökar linjärt med absolut temperatur T. Den (isobariska) utvidgningskoefficienten α för alla ideala gaser har värdet α = 1/273 K. (V0 = volym vid 0ºC)

V1 = V0 (1 + α*T1) = V0 + V0 α*T1 (T i K)

Det innebär att vid ett konstant tryck är gasvolymen proportionell mot den absoluta temperaturen, eller

V1/V2 = T1/T2

Gaser och gasblandningar, som luft, expanderar med 1/273 av volymen vid 0°C för varje K de värms. (α = 0,00366 K-1)

Med andra ord utvidgas 1 m3 ( = 1 000 dm3 ) luft alltid cirka 3,66 dm3 för varje temperaturökning med 1 K. Detta gäller oberoende av om uppvärmningen sker från 0°C till 1°C eller från 20°C till 21°C.

Ju mer luften utvidgas, desto lättare blir den, dvs. densiteten sjunker. (Densiteten hos luft vid 0°C och 1,013 bar = 1,293 kg/m3). Den luft vi upplever som viktlös är i själva verket inte så lätt:

1 m3 luft vid 0°C = 1,293 kg 20°C = 1,205 kg 50°C = 1,093 kg

Utifrån detta framgår att 1 m3 luft som strömmar förbi en radiator och värms upp från 20°C till 50°C, bildar en stigkraft på cirka 1 N (N = Newton; förklaras nedan).

Kraft är orsak till acceleration hos eller omformning av en kropp. Kraften F definieras som produkten av massan m hos en kropp och accelerationen a hos kroppen, eller F = m * a Beroende på den fysiska källan skiljer vi mellan gravitationskraft, elektromagnetisk kraft, stark kraft (interaktiv kärnkraft) samt svag kraft (orsakar nedbrytning hos atompartiklar). Newton (N) är SI-enheten för kraft.

Stigkraften 1 N är avsevärd för ”lätt” luft. Luft som värms av en radiator stiger därför snabbt uppåt och längs taket där den avger sin värme till taket och den omgivande luften. När värmen avges ökar luftens densitet, sjunker och når slutligen radiatorn igen. Den ”dras dit” av luftflödet som konstant rör sig uppåt från radiatorn (Fig. 2-17).

Boyle-Mariotts lag

Gay-Lussacs lag

Kraft

Stigkraft




30


Fig. 2-17 Luftcirkulation i ett rum med en radiator

Resultatet blir samma tyngdkraftströmning som i ett vattenburet uppvärmningssystem med självcirkulation.

Eftersom luftmolekylerna kan röra sig fritt sammanblandas de mycket enklare än molekyler i vätskor. Hos gaser uppstår därför inte samma skarpa temperaturskiktning som hos vätskor.

Hur tyngdkraftströmning påverkar temperaturförhållandet i ett rum visas i Fig.2-18.

Fig. 2-17 Rumstemperatur beroende av höjden

Vi har berört ämnet ”värmeutvidgning i gaser”. Kunskap om de andra gaslagarna är nödvändigt för förståelse av luftkonditioneringssystem.

3 m

2 m

1 m

0 m

18°C 20°C 22°C 24°C 26°C 28°C




31


2.2.5 Luft Jorden omges av ett tunt luftskikt. Variationer i detta skikt orsakar ändringar i det som kallas barometriskt (mäts med en barometer) eller atmosfäriskt tryck. Alla livsformer är beroende av luften för att överleva. Exempelvis måste en vuxen människa andas cirka 0,5 m3 luft per timme för att upprätthålla livsprocesserna. Luften är dessutom viktig av många andra skäl. Exempelvis absorberar luften stora mängder vatten i form av vattenånga från ytan av sjöar och hav, transporterar den över stora avstånd och låter den sedan falla ned på jorden i form av nederbörd.

Storheterna som används för att beskriva lufttillståndet kallas variabler. De används också vid luftkonditionering. De viktigaste är lufttemperatur, luftfuktighet och lufttryck.

Luft är en blandning av gaser, ångor och föroreningar. Ren torr luft finns bara i teorin. Den skulle bestå av:

Material i gasform: Kemisk symbol:

Volymprocent Viktprocent

Kväve N2 78,060 75,490

Syre O2 20,960 23,170

Argon Ar 0,930 1,290

Koldioxid CO2 0,030 0,040

Väte H2 0,010 0,001

Neon Ne 0,002 0,001

Helium, Krypton, Xenon He, Kr, Xe 0,008 0,008

Vid sidan av luftens temperatur spelar luftens renhet, gashalt och dess vatteninnehåll en stor roll vid luftkonditionering.

Vattenhalten i ett ämne mäts i form av fukthalt eller luftfuktighet. Luftfuktighet är vatten i gasform som är homogent blandad med luften. Luften har, liksom alla andra ämnen, bara en begränsad förmåga att hålla kvar vatten. Denna gräns kallas mättnadpunkt eller daggpunkt. Skillnaden mellan fuktig luft som ligger under mättnadspunkten och torr luft går inte att se med ögat, eftersom båda är helt färglösa och transparenta. När vattenhalten stiger över mättnadspunkten märks överskottet (som kondenseras eller faller ned ur luften när lufttemperaturen sjunker till daggpunkten) som fina vattendroppar i form av dimma eller moln. Hur stor mängd vatten som kondenseras ur luften när den är mättad beror på lufttemperaturen och lufttrycket. Den fukthalt som kan finnas i luften ökar exponentiellt med temperaturen.

Vid normallufttryck (1,013 bar vid havsytan) är mättnadshalten vid 0°C till exempel 3,9 g/m3 och vid 20°C når den 15 g/m3.

Ett rum innehåller luft med en viss mängd vattenånga. Om lufttemperaturen sänks gradvis, kommer slutligen en temperatur att nås då vattendroppar framträder på väggarna eller föremålen i rummet. Vi har nått daggpunkten. Det här kan man se när rumstempererad luft kyls av vid en kall fönsterruta. Vattenångan som kondenseras från luften samlas och rinner ned längs fönstret.

Utifrån detta exempel framgår att luftens förmåga att absorbera vattenånga inte är konstant och att denna förmåga är beroende av lufttemperaturen. Det innebär att lufttemperaturen vid ett visst lufttryck korresponderar med en viss mängd vattenånga som inte kan överskridas utan att dagg bildas.

Ren torr luft

Luftfuktighet

Exempel på de viktigaste förhållandena




32


Fig. 2-18 hx-diagram eller Mollierdiagram

Storheterna relativ luftfuktighet φ (%) och absolut luftfuktighet x (kg/kg) används för att beskriva den mängd vattenånga som finns i luften. Övriga tillståndsstorheter för luft är bl.a. torr temperatur t (°C), våt temperatur tv (°C) och entalpi (värmeinnehåll) h (kJ/kg). Luftens tillstånd kan enkelt fastställas med hjälp av mätningar och illustreras i ett hx-diagram eller så kallat Mollierdiagram, efter den tyske fysikern Richard Mollier (1863-1935).

Vi känner nu till vad värme är, vi känner till källan till värmestrålning. Därefter undersökte vi värmeutvidgningen hos olika ämnen, och vi har sett hur detta fenomen kan utnyttjas på olika sätt samt vilka processer det ger upphov till i värmesystem och uppvärmda rum.

Vi har även sett hur mycket energi som krävs för att värma eller förånga vatten och vi vet att luft enbart kan innehålla en viss mängd vattenånga och att denna mängd är beroende av lufttemperaturen och lufttrycket.

Vill du veta mer? hx-diagrammet finns beskrivet i kompendiet ”hx-diagram” utgivet av Siemens AB BT, Utbildning

hx-diagram

Sammanfattning




33


2.2.6 Ämnenas entalpi Vi har sett att temperaturen hos ett ämne motsvarar ett visst svängningstillstånd eller (stimulansnivå) hos atomerna. Om temperaturen ska höjas måste atomerna stimuleras mer och då krävs extra energi. Energimängden beror även på hur många partiklar som måste stimuleras, dvs. på ämnets vikt (massa).

Ju större massa, desto större värmeinnehåll eller entalpi har ämnet efter temperaturökningen.

Värmeinnehållet i ett ämne betecknas med Q [kJ].

Värmeinnehållet Q kan beräknas. Först måste man dock känna till några storheter. Om temperaturen hos 1 kg koppar, 1 kg luft och 1 kg vatten ska höjas med 1 K, krävs nästan tre gånger så mycket energi för luft som för koppar och elva gånger så mycket energi för vatten. Resultaten är lika varierande för andra ämnen. Den värmemängd som behövs för att höja temperaturen beror alltså inte enbart på massan, utan även på ämnets värmelagrande förmåga. Detta betecknas som ämnets specifika värmekapacitet c.

Det avser alltid 1 kg av ämnet och 1 K och dess enhet är [J/kg K].

Den specifika värmekapaciteten för koppar, luft och vatten är:

Koppar: c = 381 [J/kg K] Luft: c = 1004 [J/kg K] Vatten: c = 4190 [J/kg K]

Nedan ser vi en tabell över specifik värmekapacitet hos andra ämnen, dvs. hur många kJ som krävs för att värma 1 kg av ämnet 1 K.

Ämne c i kJ/kg K

Väte 14,25 Helium 5,24 Vatten 4,19 Oljor ≈ 2,00 Luft 1,0 Stål 0,48 Koppar 0.39

Om väte och helium ignoreras har vatten den högsta specifika värmen av alla ämnen (inklusive de som inte nämns här). Det krävs alltså mycket mer energi för att höja temperaturen hos vatten än vad som krävs för andra ämnen. I utbyte innehåller dock vattnet en större mängd värmeenergi som kan utnyttjas.

Vid beräkningar av värmeinnehållet är alltså massa (kg), specifik värmekapacitet (c) och temperaturdifferens ΔT (K) före och efter uppvärmningen av intresse. Det beror på att dessa storheter fastställer hur mycket värme ämnet måste tillföras. Om en värmd kropp istället placeras i en kallare miljö, kan man utifrån dess massa, specifika värmekapacitet och temperaturskillnaden mellan kroppen och den omgivande miljön, fastställa den maximala värmemängd som kroppen kan avge.

Specifik värmekapacitet




34


Q = m * c * ΔT [J] = [kg * J/kg K * K]

Enheten för värmeinnehållet är Joule J eller kilojoule kJ (1 000 J = 1 kJ).

För att höja temperaturen på 200 kg vatten från 70°C till 90°C i ett värmesystem krävs alltså följande

Q = m * c * ΔT 200 * 4,19 * 20 = 16 760 kJ

Om 200 kg vatten flödar in i en radiator med 90°C och återkommer därifrån till pannan med 70°C, har det avgett 16 760 kJ. Värmen avges huvudsakligen som värme i rummet, men en liten del av den, så kallad värmeförlust, avges ofrivilligt genom rörledningarna till den omgivande miljön (Fig. 2-19).

Fig. 2-19 Princip för ett värmesystem

Exemplet visar att vi behöver 16 760 kJ för att höja temperaturen för 200 kg vatten med 20 K. Vi har även sett att denna värmeenergi avges från radiatorn till luften och som värmeförlust i rörledningarna, så att vattnet återgår till pannan vid 70°C. Det som skett är alltså att ett värmeflöde överförts av radiatorn. På vintern måste värmeflödet justeras i enlighet med uppvärmningsbehoven. Pannan i detta värmesystem måste med andra ord generera den mängd värmeenergi per timme som används av radiatorerna, dvs. rummen.

Energi (arbete) som används på en specifik tid (h) kallas kraft, i det här fallet värmeeffekt P.

Om värmesystemet behöver 200 kg vatten per timme för att värma fastigheten i vårt exempel blir den värmeeffekt som krävs

P = 16 760 kJ/3 600 s

För att få en uppfattning om värmeinnehåll hos olika ämnen, undersöker vi nu den värmeenergi som vanliga bränslen ger:

Ämne Värmeinnehåll Värmeeffekt/h

[kJ/kg] [kJ/l] [kW/kg] [kW/l] Propangas ≈ 46 000 ≈ 93 000 ≈ 12.75 ≈ 25,75 Eldningsolja ≈ 42 000 ≈ 35 500 ≈ 11,6 ≈ 9,75 Naturgas ≈ 39 000 ≈ 34 000 ≈ 10,8 ≈ 9,5 Stenkol, koks ≈ 30 000 ≈ 8.3 Stadsgas ≈ 16 000 ≈ 4,4 Pellets ≈ 21 000 ≈ 14 000 ≈ 5.8 ≈ 3,9

Om värmesystemet i exemplet ovan är pelletsbaserat blir bränsleförbrukningen per timme därmed 4,66 kW/3,9 kW/dm3/h ≈ 1,2 dm3 pellets.

Värmeinnehåll Q

Värmeeffekt P

Förhållandet Joule och Watt

- 16 760 kJ

+ 16 760 kJ

90°C

90°C

70°C

P = 4,66 kJ/h =4,66 kW




35


2.2.6.1 Joule och Watt Enheten Joule eller kilojoule är en basenhet i SI-systemet.

Enligt värmeläran är Värme = energi

Det är endast energiformen som skiljer sig åt mellan värmeenergi och mekanisk energi. Energimängden kan anges i Joule i båda fallen. Mekanisk energi uttrycks i Nm (Newtonmeter), elektrisk energi i Ws (Wattsekunder) och värmeenergi i J (Joule).

Förhållandet mellan dessa enheter är: 1 Nm = 1 Ws = 1 J

Exakt vad är en Joule?

Joule är den enhet som betecknar energi och

Energi = kraft * sträcka Kraft = massa (kg) * acceleration (m/s2) Sträcka = meter (m) Energi = kg * m/s2 (J)

Enheten kg * m/s2 verkar inte ha något att göra med värme. Hur kan dessa mekaniska enheter knytas an till en värmerelaterad storhet?

J.P. Joule, en brittisk forskare (1818-1889), bevisade förhållandet. Han byggde den experimentutrustning som visas i Fig. 2-20 och hittade värmeekvivalenten.

Fig. 2-20 Joules experiment för fastställande av värmeekvivalenten

Genom rotorns rörelse höjs temperaturen hos en viss vattenmängd (sammanstötningar mellan molekylerna får dem att svänga kraftigare). Detta är det samma som att tillföra värme i kJ/kg.

Joules upptäckt: En massa på m = 1 kg måste falla sträckan h = 427 m för att skapa en värmemängd som motsvarar Q = 4 188 Joule. På denna massa verkar kraften (G) som är lika med jordens gravitationsacceleration (g) gånger dess massa (m). (G = m * g).

För Joules experiment innebär detta:

Energi = massa x acceleration x sträcka Q = m * g * h = 1 kg * 9,81 m/s2 * 427m = 4 188 kg • m/s2 = 4 188 Joule

Det medför: Q = 4,188 kJ

Joule och Watt

h

m




36


2.2.7 Värmeflöde Både när vi känner värme och när vi observerar värmeprocesser, så handlar det om värmeflödesprocesser, dvs. värmeflöden från fast form till vätska, från vätska till gasform och tillbaka till fast form etc. Därför kan exempelvis värmeflödeskedjan i ett vattenburet värmesystem se ut så här: Pelletspannans låga pannans vägg pannans vatten rörledningar radiator

luft människor, väggar, tak, golv, möbler uteluft och jord.

2.2.8 Värmeledning Värmeledning är värmeflöde i ett ämne där partikelrörelsen överför en del av sin rörelseenergi till omgivande partiklar (Fig. 2-21).

Fig. 2-21 Värme ”flödar” genom ett ämne

Värmeflöde genom värmeledning sker även vid fast beröring mellan två ämnen, t.ex. från en kokplatta till en kastrull, från ett strykjärn till materialet som ska strykas etc. (Fig. 2-22).

Fig. 2-22 Värmeledning från ett ämne med högre temperatur till ett ämne med lägre temperatur

Det finns bra och dåliga ledare. Värmeledningen anges med värmeledningsförmågan λ (lambda). Den anger mängden värmeenergi som överförs på en sekund mellan två parallella ytor av ett en meter tjockt ämne som har ett tvärsnitt på 1 m2 med ett temperaturfall på 1 K.

Värmeledningsförmåga

t

t




37


Värmeledningsförmågan λ har enheten W/m K.

Fig. 2-23 Värmeledningsförmågan λ för olika ämnen

Illustrationen visar att koppar leder värme cirka åtta gånger bättre än järn, medan luft och porösa ”luftfyllda” ämnen som kork, skum, kläder etc. har sämst värmelednings-förmåga. De sistnämnda ämnena kallas även isolerande material.

Värmeledning är flödet av värme till ett ämne eller från ett ämne till ett annat när ämnespartiklarna kommer i kontakt med varandra.

Men vad händer om värme överförs från ett ämne i fast form till ett ämne i vätske- eller gasform, t.ex. från en vägg till vatten eller luft? Är inte den fasta beröringen minimal i det här fallet eftersom partiklarna i ämnena kontinuerligt flödar eller rör sig ostrukturerat? Kommer inte den värmda luften eller det värmda vattnet att flöda direkt från värmekällan och uppåt? Värmeflödet kan därmed inte bli lika fullständigt som vid fast beröring mellan två solida kroppar.

Det är korrekt. För flödande medier, som vatten och luft, har ämnenas partiklar enbart en kortvarig kontakt med det fasta ämnet, t.ex. väggen, eftersom de själva är i rörelse. De kan därmed bara ta till sig värme genom ledning genom den korta ”kontakten” – vissa partiklar mer och andra mindre. Mediet, vatten eller luft, blir därmed enbart delvis ”uppvärmt” och enbart i området i närheten av väggen eller värmekällan (Fig. 2-24). Ämnet som värms utvidgas, blir lättare (densiteten minskar) och stiger uppåt med det upptagna värmet. Det uppstår ett värmeflöde. Under det fortsatta flödet utbyter partiklarna värme med varandra och med den kallare omgivningen. De utbyter även värme med alla väggar de möter. Självklart är värmeflödet även i det här fallet ofullständigt eftersom kontakten mellan ämnena är så kortvarig.

1 m 1 m

Cu

Fe

Betong

Ziegel

Wasser

Luft

Kork

360

48

1,2

0,6

0,6

0,025

0,03

Koppar 360

Järn 48

Betong 1.2

Tegel 0.6

Vatten 0.6

Luft 0,025

Kork 0,03

i W/mKλ = 1KΔΤ




38


Fig. 2-24 Värmeledning till väggar

Värmeflöde från en vägg till ett flödande medium framkallar alltid en strömning som bär med sig värme som åter kan överföras till en fast vägg.

2.2.9 Värmekonvektion Förmågan att ”ta med, medföra och hämta värme” kallas värmeflöde genom konvektion.

Den obegränsade naturliga strävan uppåt hos ett uppvärmt medium kallas fri strömning. Styrning av strömningen genom rörledningar eller ventilationskanaler kallas påtvingad strömning.

Den värmemängd som utbyts per tidsenhet är beroende av:

• temperaturdifferens mellan väggen och det strömmande mediet • väggytans storlek • väggens och det strömmande mediets värmeledningförmågor, samt i första hand • strömningens typ och hastighet. Ju större strömningshastighet, desto större är

antalet partiklar som kommer i beröring med väggen och därigenom kan ta upp värme från eller avge värme till den.

Det är mycket svårt att bestämma typen, riktningen och hastigheten hos strömningen. Även de mest noggranna beräkningarna ger enbart ett ungefärligt värde av det faktiska värmeflödet från väggen till mediet eller vice versa. Av denna orsak används i praktiken bestämda normvärden. Dessa värden har verifierats genom upprepade praktiska försök och återges i tabeller och diagram. Detta normvärde kallas

Värmeövergångskoefficient α (alfa)

Värdet för α avser alltid en yta av 1 m2 och anger hur många Watt som överförs från mediet till väggen eller omvänt med temperaturdifferensen 1 K. Här följer några exempel på alfavärden för luft och vatten:

Värmeövergångskoefficient α i W/m2 K

Stillastående luft 3 till 20 Strömmande luft 20 till 100

Stillastående vatten 500 till 2 000 Strömmande vatten 2 000 till 4 000

Exemplen visar hur starkt strömningshastigheten påverkar värmeflödet, framför allt vad gäller luft. För vatten är strömningspåverkan inte lika kraftig eftersom vattenpartiklarna ligger fastare intill väggen än de rörliga luftpartiklarna. Dessa värden förklarar också

Konvektion

Fria och påtvingade strömningar

Värmeövergångs- koefficient

Exempel




39


varför man kan hålla handen en lång stund i en luftström som är 80°C, men inte i vatten som är 80°C. Värmeflödet är cirka 20 gånger större för vatten än för luft.

Det finns tabeller och diagram med alfavärden för alla former av värmeflöden som förekommer i praktiken, t.ex. för vatten och luft som en funktion av strömningshastigheten på värmeöverföringsytorna.

Om du känner till värmeövergångskoefficienten (α) för givna flödesförhållanden, kan värmeflödet Φ (fi) beräknas från storleken hos en given väggyta (A) och temperaturdifferensen (tv - tM) mellan väggen och mediet:

Värmeflöde (Φ) = α * A * (tv - tM) [W/m2K* m2K] = [W]

Fig. 2-25 Värmeflöde längs en vägg

Reglertekniskt är man ofta intresserad av värmeflödet från luft eller vatten till en temperaturgivare, med andra ord hur snabbt man kan får ett korrekt mätresultat. För bästa möjliga värmeflöde ska givaren placeras på en plats i ventilationskanalen där flödeshastigheten är särskilt stor.

I praktiken är det vanligast med värmeflödesprocesser där väggen avskiljer två strömmande medier från varandra, t.ex. två gaser med olika temperatur, två vätskor eller en gas och en vätska.

Exempel

• Fjärrvärmevatten/värmeväxlare/radiatorvatten • Varmvatten i radiatorn/radiatorvägg/rumsluft • Rumsluft/husvägg/uteluft

Värmeflöde

Φ = α A ( t v - t M )

α

t M

t v




40


Alla dessa exempel visar önskade värmeflödesprocesser. I en värmeväxlare ska så mycket värme som möjligt ta sig igenom väggen. Däremot ska så lite värme som möjligt ska ta sig igenom en husvägg. Det värmeflöde genom en vägg som avgränsar två medier, och med ett ömsesidigt värmeflöde, kallas värmegenomgång.

Vi känner nu till de faktorer som fastställer värmegenomgången. I det här fallet handlar det alltså inte om ren värmeledning eftersom den kräver fast beröring mellan kropparna och någon sådan finns inte för vätskan eller gasen på någondera sidan av väggen. Värmegenomgång påverkas istället i stor utsträckning både av värmeövergångskoefficienter, t.ex.

α1 rumsluft/väggens inneryta och α2 väggens ytteryta/uteluft

dvs. två storheter (vind etc.) som är svåra att beräkna.

Värmegenomgången påverkas dessutom av:

• väggytans storlek och tjocklek, • väggens eller de olika väggskiktens värmeledningsförmåga

(t.ex. interiörbehandling, murverk, isolering, exteriörbehandling) • temperaturdifferensen, t.ex. mellan rummet och uteluften

Värmegenomgången beräknas nästan undantagslöst med empiriska värden, dvs. värden som tagits fram genom pratiska experiment och mätningar. Storheten för värmeövergång genom en viss konstruktion är:

Värmegenomgångskoefficienten u [W/m2 K]

Liksom värmeövergångskoefficienten α, är den baserad på en väggyta på 1 m2 och anger hur många Watt [W] som går genom en vägg när temperaturdifferensen mellan medierna på båda sidor om väggen är 1 K. Värmegenomgångskoefficientens enhet är således den samma som för värmeövergångskoefficienten.

När u-värdet för en vägg är känt, är det enkelt att beräkna värmeflödet Φ genom väggen (överförd värmemängd).

Fig. 2-26 visar de matematiska storheter som ingår i u-värdet för en vägg som består av tre skikt av olika tjocklek d och olika värmeledningsförmåga λ.

ϑ1λ1 λ2

d1 d2 d3

kϑ2

Φ = k A (ϑ - ϑ )Fig. 27

λ3

1 2

Fig. 2-26 Värmegenomgång genom en vägg med tre skikt

Självklart består husväggar inte alltid av enbart tre lager, exempelvis två tegellager och ett isoleringslager. I väggar används även gips och innerväggen kan även vara täckt med kakel eller trä.

Värmegenomgång

u t1

t2

Ф = u • A (t1 – t2)




41


Det är dessutom skillnad om murverket består av vanligt tegel, klinkertegel, ihåligt tegel eller liknande. Murverkets tjocklek varierar beroende på vilken typ av byggnad det är. På grund av detta kan tabeller med u-värden för byggnadsmaterial täcka flera sidor i handböcker för byggnadssystem.

Några exempel: u i W/m2 K Fönster, 2-glas kopplade bågar cirka 2,7 Fönster, förseglade 2-glas argon lågemissionsskikt cirka 1,9 Fönster, förseglade 3-glas argon lågemissionsskikt cirka 1,4 Innerdörr cirka 2,5 Ytterdörr cirka 1 Tegelvägg, 24 cm tjock cirka 1,5 Tegelvägg, 36 cm tjock cirka 1 Betongvägg (ickeporös), 25 cm cirka 2,5 Plåtvägg cirka 6

Med hjälp av u-värdet beräknas värmeflödet genom en byggnads alla ytor mot omgivningen. Detta ligger till grund för dimensioneringen av värmesystemet. Värmeflödet, dvs. värmeförlusterna är då kända. Värmesystemets maximala kapacitet samt värmeövergången från radiatorerna i de enskilda rummen blir då också känd. Därigenom blir det möjligt att kompensera för värmeförluster under uppvärmningssäsongen. Detta ämne kommer att beskrivas i detalj senare.

Sammanfattning

I värme- och ventilationssystem är vatten och luft de medier som är mest använda. Värmeledning från en fast kropp eller en vägg till dessa medier eller vice versa sker genom konvektion, varvid värmeövergång och värmegenomgång åtskiljs. Värmeövergångskoefficienten α och värmegenomgångskoefficienten u är storheterna för värmeledning från varmare till kallare medier. Med hjälp av dem beräknas värmeförlusterna genom väggar, fönster, dörrar och rörledningar, och dessutom den kapacitet som krävs av värme- och kylsystem.




42


2.2.10 Värmestrålning Vi har tidigare nämnt att värmestrålning består av långvågiga elektromagnetiska svängningar som uppkommer när atomer kolliderar och vissa av deras elektroner tillfälligt slungas ur sina normala banor. Värmestrålning är en form av elektromagnetiska svängningar som liksom ljuset lyder under de optiska lagarna, dvs. utbreder sig rätlinjigt, reflekteras, tränger enkelt igenom vissa ämnen och kan enbart försumbart tränga igenom andra. Glas är exempelvis i princip oemottagligt för värmestrålning (Fig. 2-27).

Fig. 2-27 Reflektion av värmestrålning på en glasyta

Eftersom det är en elektromagnetisk energi behöver värmestrålning inte något fast överföringsmedium. Den sprider sig i princip obehindrat genom vakuum eller luftfyllda rum (t.ex. strålning från solen, ljus från glödlampor). När den träffar fasta eller flytande partiklar stimuleras de termiskt och därigenom tappar strålningen energi. Enkla gaser som syre (O2), kväve (N2) och väte (H2), liksom torr luft och alla ädelgaser är diater-miska, dvs. transparenta för värmestrålning. Gaser som inte kan absorbera värmestrålning kan inte heller avge den genom strålning. Gaser och ångor som består av molekyler som ånga (H2O), kolmonoxid (CO), koldioxid (CO2), svaveldioxid (SO2), ammoniak (NH3), etc., absorberar och släpper ifrån sig strålning på specifika våglängder med varierande intensitet. Strålningens intensitet är en funktion av gastemperaturen (t.ex. lågan hos en olje- eller gaspanna).

Ämnen i fast form och vätskeform avger alltid värmestrålning och ju högre deras temperatur är, desto kraftigare är värmestrålningen. Energi som avges av ett ämne i form av värmestrålning ökar med den absoluta yttemperaturen upphöjt till fyra.

Intensiteten (kraften) av den utsända värmestrålningen vid en specifik temperatur är ytans strålningskonstant C. För fasta ämnen är denna konstant i hög grad beroende av ytans beskaffenhet.

Yta C i W/m2 K4 Svart kropp ≈ 5.75,10-8 Murverk, med puts ≈ 5,40,10-8 Oljefärg (alla kulörer) ≈ 5,40,10-8 Vatten ≈ 5,40,10-8 Vit, blank emalj ≈ 5,20,10-8 Aluminiumfärg (bronsfärg) ≈ 2,20,10-8 Högblank metall ≈ 0,25,10-8

Tabellen visar att en svart kropp producerar mest strålning. En högblank kropp av ädelmetall med identisk storlek, producerar minst. Färgen spelar inte så stor roll. Om

Strålningskonstant C




43


man jämför hur mycket strålning en kropp avger i förhållande till mängden som en kropp med identisk storlek absorberar, fås samma värde.

Emission och absorption av värmestrålning är således i balans. Ett ämne som avger små mängder strålning tar också upp små mängder och vice versa.

Det är dock inte så enkelt att beräkna den värmeenergi som flödar från en kropp till en annan genom värmestrålning. Det beror på att strålningens infallsvinkel måste beaktas, samt på reflektionernas styrka och frekvens och det faktum att båda kropparna samtidigt avger och absorberar strålning. På grund av detta görs ingen fördjupning i beräkningarna. Istället görs en genomgång av ett antal exempel på värmeöverföring via strålning.

Värmeslingorna i en elektrisk värmare är kraftiga värmeradiatorer, framför allt om värmaren är försedd med reflektor. Värmeöverföringen genom konvektion är däremot försumbar, eftersom värmeöverföringsytan (slingorna) är mycket liten (Fig. 2-28).

Fig. 2-28 Värmeöverföring vid elektrisk värmare

Om slingorna utsätts för ett luftflöde från en fläkt, avkyls de omedelbart eftersom den stora mängden av förbiströmmande luftpartiklar avleder värmen genom konvektion (värmeflöde i samband med tvingat flöde). Resultatet blir att värmestrålningen omedelbart avtar. Elvärmestrålaren har blivit en elvärmekonvektor.

Vissa värmare i ett vattenburet värmesystem kallas radiatorer eftersom de avger en stor del av sin värme till rummet i form av strålning (Fig. 2-30 vänster). Om radiatorn är klädd avskärmas strålningen och radiatorn fungerar enbart som en konvektor (Fig. 2- höger). Används konvektorer eftersträvar man att luften ska vara i så nära kontakt som möjligt med uppvärmningsytan. Då får man en hög verkningsgrad för värmeöverföring genom konvektion.

Fig. 2-30 Värmeöverföring vid vattenradiatorer (vänster – vattenkonvektorer (höger)




44


Vid uppvärmning med takvärme (Fig. 2-29 vänster) är rörledningar monterade i, eller tätt under, taket. Det ger en mycket stor värmande yta, men värmarens horisontella placering i rummets varmaste del åstadkommer mycket liten luftcirkulation. Värme avges praktiskt taget enbart genom strålning.

Fig. 2-29 Värmeöverföring vid takvärme (vänster) och golvvärme (höger)

Vid uppvärmning med golvvärme råder liknande förhållanden (Fig. 2-29 höger), men andelen värmeövergång genom konvektion är då större eftersom den värmda luften kan stiga uppåt, till skillnad från takvärme där värmen så att säga ”står stilla” under taket.

Exemplen visar att vid värmeflöde från ett ämne till ett annat, samverkar nästan alltid värmeledning, värmekonvektion och värmestrålning.

Värme är en energiform som är svår att bemästra. När vi strävar efter att värma ett material kommer en del av värmen att gå förlorad genom konvektion, strålning eller värmeledning. Ibland är detta en önskad effekt, men oftast är det enbart en värmeförlust. Bokstavligt talat är uppvärmning inget annat än en kontinuerlig kompensation av värmeförluster.




45


2.2.11 Blandningslagen Blandningslagen kan uttryckas som en ekvation som fastställer blandningstemperaturen tm som uppstår när två vätskor med massorna m1, m2 med temperaturerna t1, t2 och specifik värmekapacitet c1, c2 blandas utan att värme tillförs eller avleds. Från balansen mellan avgiven och absorberad värmemängd erhålls:

utin QQ =

( ) ( )[ ]Cttcmttcm m2221m11 °−∗∗=−∗∗

[ ]Ccmcm

tcmtcmt2211

222111m °

∗+∗∗∗+∗∗

=

eller förenklat för blandning av två ekvivalenta vätskor c1 =c2:

[ ]Cmm

tmtmt21

2211m °

+∗+∗

=

I värme- och ventilationssystem, sker blandningsprocesser på vattensidan vid styrning av flödestemperatur (luftvärmare, luftkylare) och på luftsidan för styrning av luftblandning (spjäll).

2.2.12 Tidskonstant vid värmeflöde Vid alla värmeflödesförlopp ställs följande fråga. Hur stor värmemängd skulle överföras per tidsenhet från en vägg till en gas eller en vätska eller från dem till en vägg vid en given temperaturdifferens?

Den överförda värmemängden bestäms av väggens kännetecknande storheter, dvs. värmeövergångskoefficienten (α) och värmegenomgångskoefficienten (u) samt temperaturdifferensen (ΔT). Temperaturdifferensen minskar dock när värmeflödet fortskrider. Mängden överförd värme blir alltså mindre och mindre. Om t.ex. en kall stålkub placeras på en kokplatta som förvärmts till 100°C, ökar kubens temperatur först snabbt eftersom temperaturdifferensen är stor. Mot slutet av värmeöverföringsperioden stiger kubens temperatur enbart obetydligt under en lika stor tidsperiod, eftersom temperaturdifferensen då är mycket mindre, och motsvarande mindre värmemängd överförs. Den värmemängd som överförs per tidsenhet minskar kontinuerligt.

Blandningstemperatur

Värmeöverföringens dynamiska beteende




46


Processer där omfattningens storlek varierar, kallas exponentiella funktioner eller förkortat e-funktioner. I Fig. 2-30 framgår tydligt hur temperaturändringen per tidsenhet minskar kontinuerligt eftersom temperaturdifferensen som ska utjämnas också minskar kontinuerligt .

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

86,4%

95%98% 99,74%

99,9%99,99%

63,2% Δϑ

0 1 2 3 4 5 6 7 8ϑ0

ϑmax.

Δϑ

ϑ

t

99,3%

Fig. 32 Fig. 2-30 Temperaturändring per tidsenhet

Närmare 2/3 (matematiskt exakt: 0,632 eller 63,2 %) av den totala temperatur-differensen ΔT (Δϑ i Fig. 2-32) genomlöps under tid T1 (tidskonstanten). Under nästa, lika stora tidsenhet T2, genomlöps åter 63,2 % av återstående 36,8 %. Exakt samma ändring sker i den tredje tidsenheten T3. Efter varje tidsenhet T genomlöps 63,2 % av den återstående temperaturdifferensen tills relativ jämvikt har uppnåtts efter cirka åtta perioder.

En termometer hålls i ett kärl med smältande is tills den visar 0°C. Därefter doppas den direkt ned i vatten med en konstant temperatur av 100°C. Samtidigt startas ett stoppur och vi mäter hur lång tid det tar för termometern att nå 63°C. Anta att det tar 20 sekunder. Efter ytterligare 20 sekunder kan man anta att termometern visar 86°C och efter ytterligare 20 sekunder 95°C. Därefter stiger temperaturen enbart mycket långsamt. Det är först efter cirka åtta gånger 20 sekunder som termometern visar närmare 100°C. Detta gäller i teorin, matematiskt sett uppnås 100°C först efter oändlig tid.

Exponentiell funktion

Exempel




47


2.3 Flöde och tryck Ett flöde är den kontinuerliga rörelsen hos vätskor och gaser.

Vi skiljer mellan

– laminärt flöde – turbulent flöde Om man bortser från den friktion som förekommer mellan vätskeskikt vid kantytorna av kroppar och vätskor, kan man tala om friktionsfritt eller idealiskt flöde. Friktionsfria flöden har betydelse för den allmänna förståelsen av flödesprocesser samt för beräkningar av hastighets- och tryckrelationer (t.ex. hos ett turbinblad eller en flygplansvinge), men de är inte relevanta för värme- och ventilationssystem.

Flödet av en vätska eller gas i ett rör kan vara laminärt eller turbulent. Vid ett laminärt flöde rör sig de enskilda partiklarna längs parallella flödeslinjer generellt med olika hastigheter w. Friktion uppstår mellan de separata strömmarna. Ju högre viskositet hos vätskan, desto större blir friktionen.

2.3.1 Laminärt flöde Ett flöde med linjer som inte korsar varandra kallas laminärt flöde. Partiklarna i vätskeform formas i skikt över varandra och bildar en parabolisk hastighetsprofil. Skjuvspänningar uppstår med ett motsvarande friktionsmotstånd. Laminärt flöde lämpar sig inte för värmeöverföring via vätskor. Laminära flöden utnyttjas dock för undanträngande (deplacerande) luftföring i ventilations- och luftkonditioneringssystem.

Fig. 2-31 Hastighetsprofil vid laminärt flöde

2.3.2 Turbulent flöde Turbulent flöde är när det finns virvelströmmar i gas- och vätskeflöden. Hos trögflytande vätskor och gaser kännetecknas turbulent flöde av att dessa virvelströmmar bildas och upplöses samt av oregelbundna variationer i flödet. Turbulens uppstår vid störningar från interna eller externa påverkande faktorer eller när den kritiska hastigheten i ett flöde har överskridits. Rörelser som korsas och blandas uppstår. De centrala delarna överför energi till de yttre skikten. De långsammare yttre partiklarna rör sig inåt och orsakar en bromseffekt som medför att hastighetsprofilen planar ut.

Fig. 2-32 Hastighetsprofil vid turbulent flöde

För ett visst rör sker övergången från laminärt till turbulent flöde vid en specifik kritisk hastighet som definieras av det s.k. reynoldstalet (Re = friktionskoefficient). Övergången från laminärt till turbulent flöde påverkas av väggfriktion, hastighetsändringar och andra faktorer.

Flöde

Friktionsfritt flöde

Friktionsflöde

Reynoldstal




48


Flödesmotståndet i rörledningar, ventilationskanaler och rörkrökar beror också på materialsammansättningen i dessa. I värme- och ventilationssystem arbetar man nästan uteslutande med turbulent flöde. Vinklade ventilationskanaler, teknisk utrustning som luftvärmare, filter, fläktar etc. och utstickande kanter rör om i flödet. Det definitiva flödesmönstret i ett rör uppstår efter en sträcka motsvarande cirka 10 x rörets diameter. För att transportera en vätska eller gas genom ett rör, behövs tryckdifferensen Δp för att kompensera för friktionsmotståndet. Ventilationskanaler och rörledningar konstrueras för att göra tryckfallet så litet som möjligt (Fig. 2-33).

1,5

1,0

0,5

0

0,5

0

ζ = 14 ζ = 12 ζ = 0,76 ζ = 0,38ζ = 0,2

ζ = 0,4 ζ = 0,3ζ = 0,21 ζ = 0,2 ζ = 0,18 ζ = 0,11

FIg. 35

Δp

Δp

Fig. 2-33 Sänkning av Δp med hjälp av olika former på rör eller ventilationskanaler och genom

installation av deflektorer

En fyrkantig kanal med sidorna 10 cm har ett laminärt flöde i inloppet (Fig. 2-34). Flödet 20 cm efter en 90°-krök visar en kraftigt vinklad hastighetsprofil. Motströmmar kan förekomma. Efter cirka 80 cm är hastighetsprofilen symmetrisk igen. Om inga ytterligare störningar sker, nås den föregående flödesprofilen igen först efter cirka 7 till 8 meter. Detta måste man ta hänsyn till vid placering av givare och mätutrustning i rörledningar eller ventilationskanaler.

Fig. 2-34 Flödesprofil uppmätt efter en 90°-krök

Flödesmotstånd

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 [cm] Cirka 7m

10 cm




49


2.3.3 Hastighet och tryck För att fastställa ett volymflöde mäts medelhastigheten utifrån en hastighetsprofil multiplicerad med diametern.

Följande regel gäller för en okomprimerbar vätska som flödar i ett rör.

A1 * w1 = A2 * w2

A = diameter [m2] w = hastighet [m/s]

A2A1

W1 W2

Pstat1 Pstat2

w1A1

v

v A2 W2

Fig. 37

a) b)

Fig. 2-35 a) Hastighetsökning när diametern minskar

b) Statisk tryckminskning när diametern minskar (från Recknagel-Sprenger 4/95 S215)

Samma massa per tidsenhet flödar genom ett avsmalnande rör (Fig. 2-35). För okomprimerbara medier avses samma volym. Om vätskan flödar med volymen v och massan m utan höjdändringar genom röret, ökar hastigheten vid den avsmalnande punkten från w1 till w2 (Fig. 2-35a). Det dynamiska trycket ändras även från pdyn1 till pdyn2. Det statiska trycket minskar också i motsvarande omfattning eftersom hastigheten ändras i enlighet med den nya diametern (Fig. 2-35b).

Enligt Bernouli, är summan av statiskt och dynamiskt tryck konstant på alla platser i rörledningen hos förlustfria flöden.

Ptot = pstat + pdyn = konstant

där: ptot = totalt tryck i Pa pstat = statiskt tryck (tryck mot atmosfär) i Pa pdyn = beräknas enligt ρ*w2/2 (densiteten [ρ]* hastigheten i kvadrat [w2] /2) Det betyder att hastighetsenergin kan omvandlas till tryckkraft och vice versa. I praktiken förekommer dock förluster. Dessa förluster (Δp) ackumuleras från friktionsmotståndet i rörledningar, böjar och installerade komponenter. Om ett medium med ett tryckfall (Δp) flödar genom en horisontell rörledning från punkt 1 till punkt 2, blir det totala trycket vid punkt 2: ptot2 = ptot1 - Δp

Kontinuitetsekvation




50


Därigenom kan man fastställa hastigheten och därmed flödet som följer av tryckdifferensen med hjälp av ett pitotrör (Fig. 2.36).

Fig. 2-36 Tryckmätning med ett pitotrör

Vätskepelaren pdyn kan ges en hastighetsskala eftersom

pdyn = ρ*w2/2

Hastigheten mäts därmed indirekt med pitotröret.

Tryckförluster på grund av friktion förekommer i ventilationssystem eftersom de har hinder, krökar etc. De måste kompenseras av fläkten genom att öka det statiska trycket. Fig. 2-37 visar normal tryckvariation för ett sådant system.

Det statiska och totala trycket minskar före fläkten på grund av sugkraften. De högsta trycken är precis efter fläkten. luftvärmaren bidrar till stora tryckförluster, liksom 90°-krökar. Förlusterna är dock mindre i kanalsektionerna mellan krökarna. Det ursprungliga trycket po nås igen i rummet efter ett tilluftsdon.

Ptot 1

Pdyn

1

Psta

t 1

Ptot 1Pdyn

2

Ptot

2Pt

ot 1

Po

ΔP

tot

B14-39 Fig. 2-37 Tryckprofil i ett ventilationssystem




51


2.4 Värmebalans 2.4.1 Människans värmehushållning Människans kroppstemperatur är cirka 37°C och på hudens utsida ca 33°C. Människan alstrar värme genom kemisk förbränning (oxidation) av näring. Det är i princip den solenergi som krävdes för att bygga upp näringsämnena som åter blir fri.

Med 33°C på hudytan ligger kroppstemperaturen hos människor som vistas på våra breddgrader högre än omgivningstemperaturen nästan hela året. Människan avger därför ständigt värme. Det sker ungefär så här:

– 35 % genom värmeledning och konvektion – 35 % genom värmestrålning – 24 % genom vattenånga (svett, andning) – 6 % uppvärmning av födoämnen, dryck och andningsluft (Fig. 2-38)

Fig. 2-38 Människans procentuella värmeöverföring

Procentsatserna som anges ovan är medelvärden. Under sommaren eller vid hög fysisk aktivitet avges mer värme genom förångning av svett, på vintern mer genom konvektion och strålning. I vilken form värme än avges strävar kroppen alltid efter att hålla normaltemperatur, eftersom det är en förutsättning för att livsfunktionerna ska kunna fungera störningsfritt. Under vintern minskas värmeöverföringen genom att huden drar ihop sig. Då kan varmt blod inte längre tränga fram i de yttersta kapillärerna. Under sommaren eller i varma lokaler utvidgas dessa blodkärl så att mer värme kan avges. Det finns dock gränser för denna naturliga temperaturreglering. Långvarig kärlsammandragning kan leda till förfrysningar och långvarig kärlutvidgning till

6 %

35 %

35 %

24 %




52


blodtrycksfall (värmekollaps). Människan kompletterar kroppens automatiska temperaturregulator genom att anpassa klädsel och värma eller kyla inomhusmiljön.

Den totala värmemängden som avges från en kropp är inte enbart beroende av omgivningstemperaturen utan i hög grad av kroppens aktivitet. (Fig. 2-39).

Fig. 2-39 Värmeavgivning i watt, relaterat till aktiviteten för en vuxen människa

Dessa värmemängder är av intresse när man konstruerar system för värme och ventilation, huvudsakligen för lokaler där ofta många personer befinner sig (t.ex. varuhus, kontor, skolor, sportlokaler, biografer eller restauranger).

Tack vare den goda isoleringen hos byggnader, är ofta den värmeökning som orsakas av värmekällor inomhus, t.ex. lampor, datorer, kopieringsapparater och människor så stor under höglastperioder, att vissa lokaler måste kylas ned även under vintern. Den här värmen kallas sekundärvärme.

Exemplet visar att ett värme- och ventilationssystem inte bara måste anpassas för normaltillståndet. Det maximala och minimala antalet personer som systemet är avsett för måste även beaktas vid dimensioneringen. På vintern kan sekundärvärmen återvinnas, vilket reducerar energianvändningen. På sommaren måste dock sekundärvärmen i stället kylas bort, vilket kräver mycket energi. I en mellanstor biograf producerar 300 personer cirka 30 kW. Under en föreställning som varar i tre timmar motsvarar detta en värmeenergi av cirka 100 kWh.

Människan märker inte kroppens kontinuerliga värmeöverföring så länge kroppen inte har problem med att upprätthålla värmebalansen med omgivningen. Det är först när denna balans inte längre upprätthålls och man börjar frysa eller svettas som man känner obehag. Det är först då man märker att man har ”en temperatur” och att denna temperatur innebär att man har ett kontinuerligt värmeutbyte med omgivningen.

Målet för värme- och ventilationssystem är bl.a. att temperera lokaler på ett sådant sätt, så att människor som befinner sig i dem utan ansträngning upprätthåller en temperaturbalans med lokalen. Detta är verkligen inte någon enkel uppgift eftersom varje individ har en egen uppfattning om vilken temperatur som är behaglig.

Sekundärvärme

W

80 100 110 120 170 300 700Endast för utvärdering



53


2.4.2 Komforttemperatur När en människa befinner sig i ett rum, oavsett om det är ett bostadsrum, ett arbetsrum eller någon form av rekreationsrum, deltar människan i ett kontinuerligt värmeutbyte med taket, golvet, fönstren, radiatorerna och till och med möbler och lampor, kort sagt med hela miljön (Fig. 2-40). Om omgivningstemperaturen är för låg, avger människokroppen för mycket värme. Då fryser man och känner obehag (figurens vänstra del). Om omgivningstemperaturen är för hög, kan kroppsvärme inte avges tillräckligt snabbt. Då svettas man och känner också obehag (figurens högra del).

Fig. 2-40 Värmeutbyte mellan människa och omgivning

Vilken är då rätt temperatur, en verkligt behaglig rumstemperatur, som varken framkallar frysning eller svettning? Och vilka andra kriterier är också betydelsefulla?

Komforttemperaturen beror till största delen på hur aktiva människorna är. Det beror på att en större kroppsansträngning producerar mer värme. För att inte uppleva obehag måste kroppen kunna avge denna värme. Kriterier som påverkar upplevelsen av en behaglig rumstemperatur är bl.a.

– Aktivitet – Klädsel – Individens ålder – Individens hälso- och sinnestillstånd – Matvanor – Påverkan från andra I bostäder, kontor och andra arbets- eller rekreationsrum där enbart lättare arbete utförs, ligger komforttemperaturen mellan 20-23 °C, under förutsättning att rummet ligger i ett välisolerat hus. I en källare med kalla och fuktiga väggar skulle det dock kännas obehagligt även vid 22°C. Varför? Förklaringen ligger i hur människan avger kroppsvärme:

– Cirka 35 % genom värmeledning och konvektion – Cirka 35 % genom värmestrålning – Cirka 30 % genom förångning, etc. En rumstemperatur på 22°C utgör en harmonisk ”motvikt” till den 35-procentiga värmeöverföringen genom värmeledning och konvektion, samt till den 30-procentiga värmeöverföringen genom förångning. Värmeöverföringen från värmestrålning överskrider de ”normala” 35-procenten i källaren eftersom den absorberas av de kalla och fuktiga källarväggarna som kanske bara har en temperatur på 12°C. På grund av denna enorma värmeförlust upplever vi inte längre rumstemperaturen som 22°C, utan snarare kanske bara som 15°C, vilket ger upphov till obehag.

Operativ temperatur




54


Med en väggtemperatur på t.ex. 17°C, upplever vi å andra sidan en faktisk rumstemperatur på 22°C som cirka 18-19°C och därmed generellt som behaglig. På grund av strålningens inverkan görs därför åtskillnad mellan uppmätt lufttemperatur och operativ (upplevd) rumstemperatur.

Strålningens ömsesidiga inverkan illustreras i Fig. 2-41 av strålningsvågor med olika våglängd. Till vänster sker ingen kompensation för värmeförlusten från strålningen eftersom den kalla väggen avger för låg värmestrålning. Därför upplevs en rumstemperatur på 22°C endast som cirka 15°C. Till höger är personen och väggen mer eller mindre i balans vad gäller strålningen.

I alla dåligt eller felaktigt isolerade hus strålar man mycket värme mot de kalla ytorna. Det kan upplevas som att ”en kall luftström drar förbi nacken”.

Fig. 2-41 Strålningens påverkan på upplevd temperatur

För att lösa situationen kanske man måste höja rumstemperaturen så att den upplevda temperaturen är cirka 20°C trots att den verkliga lufttemperaturen kanske ligger mellan 24-25°C. Ett annat, bättre, sätt är att avskärma eller isolera in de kalla ytorna.

Fig. 2-42 illustrerar temperaturförhållandena. Det är en bild av väggtemperaturen jämfört med rumstemperaturen.

Fig. 2-42 Diagram som visar den rumstemperatur som behövs för att kompensera för

väggtemperaturen för att skapa komfort

Om skärningspunkten för de två temperaturvärdena ligger inom den rutmönstarde ytan upplevs rumstemperaturen normalt som behaglig. Denna graf gäller enbart för bostäder, kontor och andra arbetsrum där inget tungt fysiskt arbete utförs.

Fönster är också kalla ytor som kan inverka negativt på komforten. Genom att använda energiklassade fönster kan effekten av dessa störningar minskas.

15 °C 18 °C

12 °C 17 °C

30°

25°

20°

15°

10° 10° 15° 20° 25° 30° C

C




55


Dessutom bör radiatorer alltid vara monterade under fönster. Därigenom skapar de inte bara en ”varm gardin” (konvektion) framför fönstren, deras värmestrålning kompenserar i stort sett helt den ökade värmestrålningen från människorna till de kalla fönsterytorna.

Fig. 2-45 illustrerar det ömsesidiga strålningsutbytet för olika värmekällor.

Överskottsvärmestrålning från radiatorer som är onödigt varma är obehaglig eftersom människor inte kan avge sin egen strålningsandel utan problem. De ”värms upp” ännu mer.

Komforten spelar också en roll för strålningstakvärme i rum där takhöjden är under 2,50 m. Här får en taktemperatur på 32°C inte överskridas. När golvvärme används bör yttemperaturen, i områden där människor ofta befinner sig, vara 25-26 °C.

Fig. 2-45 Värmeutbyte i system med radiator, golv- och takvärme

Dessa komforttemperaturer ska beaktas som genomsnittsvärden för bostäder, arbets-rum och andra rum där lättare fysiskt arbete utförs. Temperaturen i rum där tungt fysiskt arbete utförs kan vara betydligt lägre, så att kroppen om möjligt kan avge värme utan att svettas.

Det finns med andra ord inte något fast värde för en behaglig temperatur eftersom det finns många faktorer som påverkar komfortnivån.

Se ovan Se ovan Om luften är för torr irriteras slemhinnorna av dammpartiklar i luften i mycket större utsträckning än vid normal luftfuktighet. Å andra sidan upplever vi luft som är för fuktig som kvav, eftersom vi inte kan svettas obehindrat och avge denna del av vår totala värmeöverföring.

För stor luftrörelse vid normal temperatur ökar mängden värmeöverföring genom förångning eller konvektion och detta upplevs som kallt eller dragigt.

Rök, damm och unken luft skapar obehag.

Om syreinnehållet i luften är för lågt, blir koldioxidnivån (CO2) för hög. Detta kan inträffa i överfyllda, och normalt även överhettade rum, och kan ge orsaka trötthet, illamående och svimningar.

Komfortpåverkande faktorer

Lufttemperatur

Strålningstemperatur

Luftfuktighet

Luftrörelse

Luftens renhet

Syreinnehåll

30 ... 32 °C

25 ... 26 °C40 ... 70 °C

2,5 m




56


Den elektriska laddningen i luften, särskilt före och efter åskväder och fönvindar (varma vindar som blåser över berg), etc. har en kraftig inverkan på människor och orsakar nervositet, irritation, problem med blodcirkulationen etc.

Kring vår och höstdagjämningen förändras solens egen dygnsrytm. Dagarna blir snabbt kortare eller längre. Hos en del människor hinner då inte hormonerna med riktigt. Obalansen i hormonet serotonin skapar olust och kan leda till vår- och höstdepressioner.

Förutom reglering av temperaturen måste även de ovan nämnda faktorerna beaktas vid konstruktionen av värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem. Dessutom spelar färg och storlek på rum, möblering, mattor, belysning etc., en viktig roll för komforten, eftersom dessa element också upplevs som ”varma” eller ”kalla”. Varje människa har alltså sin egen uppfattning om vad som är behagligt. Därför kan rum som används gemensamt bara utformas för genomsnittlig komfort.

Det har vid undersökningar visat sig att oavsett temperatur är alltid minst 5 % av brukarna missnöjda. Detta förutsätter att alla personer har i stort sett identisk klädsel, utför samma fysiska aktivitet och utsätts för samma temperatur. Det finns i praktiken inte någon allmängiltig komforttemperatur. För att vi ska känna oss bekväma i hemmet och på arbetsplatsen gäller dock

– Det som är viktigt är inte bara de inställda och uppmätta temperaturerna, utan framförallt den upplevda rumstemperaturen.

– Dåligt isolerade byggnader med kalla innerväggar kommer vintertid att ha en rumstemperatur som upplevs som svalare än vad den i själva verket är, eftersom kroppen förlorar en onormalt stor värmemängd genom strålning.

– Vid stora luftrörelser upplevs lokalen som kall och dragig, eftersom luftrörelserna gör att kroppen förlorar en onormalt stor värmemängd genom konvektion.

Joniseringsgrad

Biometeorologi

Övriga faktorer Endast för utvärdering



57


3 Värmesystem 3.1 Exempel på värmesystem

Syftet med ett värmesystem är att göra rumstemperaturen behaglig för användarna även vid kall väderlek. Ett värmesystem kan grovindelas i tre avdelningar:

• Värmeproduktion • Värmedistribution • Värmeavgivning Värmesystemet kombineras ofta med en installation för tappvarmvatten.

Fig. 3-1 Exempel på värmesystem med integrerad varmvattenberedning

Värmeproduktion 1 Panna 2 Brännare 3 Varmvattenberedare 4 Cirkulationspump för panna 5 Säkerhetsventil 6 Expansionskärl Värmedistribution och reglering 7 Värmeledningsrör (rör för framledning, retur och bypass) 8 Cirkulationspump 9 Styrventil 10 Värmeregulator 11 Framledningstemperaturgivare 12 Utetemperaturgivare Värmeavgivning 13 Radiatorer




58


3.2 System för vattenburen uppvärmning 3.2.1 Olje- och gaspannor 3.2.1.1 Panntyper Olje- och gaspannor finns i många olika utföranden. De kan grupperas i följande typer:

Gjutjärnspannor med minbegränsning av pannans vattentemperatur och låg rökgastemperatur. Denna typ kan betraktas som standard för stora pannor. På grund av det ska vara en relativt hög temperaturen i pannvattnet, är det nödvändigt att använda en 3-vägsventil i pannkretsen vid reglering av värmesystemets framledningstemperatur.

Pannor för utetemperaturstyrd reglering av pannvattnet och relativt hög rökgas-temperatur. I denna typ av pannor används en specialkombination av material tillsammans med en ”het förbränningskammare”, för att förhindra bildning av rökgaskondensat. Låga rökgastemperaturer är dock inte möjliga med denna typ av panna.

Rostfria pannor för utetemperaturstyrd reglering av pannvattnet och låg rökgas-temperatur. Om pannan tillverkas av korrosionsfritt material försvinner de begräns-ningar som finns hos typ A och B. Priset är dock högre för en rostfri panna.

Kondenserande pannor: Genom att i så stor utsträckning som möjligt kondensera den vattenånga som rökgaserna innehåller (daggpunkt cirka 47°C för olja och cirka 57°C för naturgas), utnyttjar dessa pannor även förångningsvärmen (cirka 6…7 % för olja och 10 % för gas). Eftersom panneffekter normalt är relaterad till nettovärmevärdet, som inte inkluderar förångningsvärme, kan kondenserande pannor verka ha en verkningsgrad som är högre än 100 %. Denna tolkning är självklart inte acceptabel ur teknisk synvinkel. Istället ska effekten relateras till bruttovärmevärdet, som tar hänsyn till den totala producerade värmemängden under förbränningsprocessen. Tillräckligt låga returtemperaturer (<40°C) från värmesystemet är nödvändigt för kondensering av rökgasen. Dessutom måste vissa problem rörande korrosion, föroreningar, smuts och neutralisering av kondensatet etc. lösas. Dessa problem är mycket enklare att lösa hos gaseldade pannor än hos oljeeldade pannor.

3.2.1.2 Tappvarmvattenförsörjning via pannan Pannor för olja eller gas har ofta en inbyggd varmvattenberedare.

Om det finns en separat elvärmare för varmvattenberedningen, kan pannan stängas av under sommaren. För kombinationer med solpaneler, läs mer i avsnitt 3.2.3.

I stora anläggningar krävs en panna med mycket stor volym av lagrad energi för att klara uppvärmningsbehovet vintertid. Detta kan ge en ineffektiv pannreglering och onödigt stora värmeförluster vid varmvattenberedning sommartid.

Med en separat, mindre panna enbart för tappvarmvattensystemet kan problemen undvikas. Pannregleringen är anpassad till den konstanta temperaturen i tappvarmvattensystemet, varför lagringsvolymen blir mindre och ger därmed mindre värmeförluster.

Typ A

Typ B

Typ C

Typ D

Separat värmare för varmvattenberedare

Separat panna för varmvattenberedaren




59


3.2.1.3 Brännare Följande typer av brännare används idag för olje- och gaseldade pannor.

Eldningsoljan sprids genom ett munstycke vid högt tryck så att fina droppar bildas som blandas med luft vid förbränningen. Ju finare oljan sprids, desto renare blir förbränningen, men risken för att brännaren ska drabbas av problem ökar också. I små brännare förvärms munstycksröret för att minimera sotning vid uppstart.

5 4 3

1

2

79

68

10

Fig. 1 Fig. 3-2 Funktionsprincip för brännare med oljespridare 1 Oljetillförsel 2 Eventuell retur till tank 3 Filter 4 Oljepump och självverkande styrventil för tryckreglering 5 Magnetventil 6 Munstycke 7 Fläkt 8 Brännarhuvud 9 Tändspole 10 Tändelektroder

Fig. 3-3 Installation med flera pannor med oljespridarbrännare (den längst bak med ljudisolerande kåpa)

Genom att förånga oljan, blir oljebrännaren en gasbrännare som avger en blå låga (blålågebrännare). Den här metoden gör att oljespridning inte behövs, den förbättrar förbränningskvaliteten och minskar utsläppen av skadliga gaser (CO, CH, NOx). För att starta brännaren används en elvärmare för förångning av oljan.

Oljebrännare effektstyrs vanligen enligt följande: 1-stegs brännare från cirka 10 kW 2-stegs brännare från cirka 25 kW Modulerande brännare (cirka 40-100 % effekt) från cirka 200 kW

Oljespridarbrännare

Blålågebrännare

Effektstyrning




60


Har samma konstruktion och effektstyrning som oljespridarbrännare men avsedd för gas. Huvudproblemet är gasförsörjningsrörets trycktäthet. Gasdetektorn (3) övervakar gasförsörjningssystemet med avseende på läckor.

165

7

Fig. 2

3

2

4

Fig. 3-4 Fläktgasbrännare 1 Fläkt 2 Spjäll 3 Gasdetektor 4 Gasinjektor 5 Brännarhuvud 6 Tändspole 7 Tändelektroder

Kombinationsbrännare är fläktbrännare som kan drivas med gas och olja utan konvertering och där växlingen kan göras automatiskt. De kan styras med 1-stegs, 2-stegs eller modulerande brännarreglering och de finns med kapacitet från cirka 25 kW.

3.2.1.4 Atmosfäriska gasbrännare De flesta atmosfäriska gasbrännare är uppbyggda med ett brännargaller i flera brännarrader eller som cirkelformade brännare med en eller flera ringar. Brännarna har olika typer av munstycken beroende på vilken gas som används. Det finns 1-stegs brännare för kapaciteter från 2 kW samt 2-stegs eller modulerande brännare.

12

3

45

6

7 8

9

10

11

1213

14 Fig. 3-5 Vänster: Specialgasbrännare i grått gjutjärn med brännare utan fläkt (källa: Buderus) Höger: Väggmonterad kondenserande panna (gas) med fläktbrännare (genomskärning) 1 Värmeisolering 8 Rökgaser 2 Förbränningsgas 9 Tilloppsvatten 3 Gas-/luftblandning 10 Övertryck i förbränningskammare 4 Gasstrålar 11 Den varma gasens väg 5 Luftmunstycken 12 Returvatten 6 Fläkt för förbränningsluft 13 Rör av pressgjutet aluminium 7 Intag av förbränningsluft 14 Kondensavledning

Fläktgasbrännare

Kombinationsbrännare




61


Gasinjektorbrännare tillhör också kategorin atmosfäriska gasbrännare. En del av förbränningsluften sugs in av gasinjektorn i form av primärluft. Den sekundära luften injiceras på grund av den termiska lyftkraft som lågan skapar, eller (vid högt motstånd i pannan) så sugs den in av en rökgasfläkt. Istället för en tändlåga som brinner kontinuerligt, är det numera vanligare med ett elektroniskt tändningssystem.

1 2 3 4 5 6

Fig. 3 Fig. 3-6 Atmosfärisk gasinjektorbrännare 1 Gastillförsel 2 Gasdetektor 3 Gasinjektor 4 Brännare 5 Flamvakt 6 Tändlåga

3.2.1.5 Vedgaspanna En vedgasgenerator ansluts före en normal panna utan brännare. Ved och träavfall upp till en angiven storlek och med en maximal fukthalt på 20 % förkolnas och konverteras till vedgas med en temperatur på 1 000-1 300 °C. Vedgasen flödar in i pannan där förbränningen äger rum.

Vid gynnsamma förhållanden har denna metod följande fördelar:

• Högeffektiv tack vare en i det närmaste fullständig förbränning av förkolningsgaserna • Inga tjärrester i panna och rökkanal • Rökfri rökgas • Enkel effektstyrning 3.2.1.6 Vedpanna med manuell matning Pannor som är konstruerade särskilt för matning med grova träbitar. Dessa pannor finns med effekter från cirka 20 kW till 100 kW och de klassificeras enligt typen av förbränning.

Utbränning beskriver ett förlopp där hela volymen av det matade bränslet brinner. Träbitarna sprids ut i lösa lager med gott om utrymme för luft så att de kan brinna med ett överskott av luft. Med den här metoden är förbränningens verkningsgrad strax över 70 %.

Pannor med underförbränning. Vedstyckena (delade stockar upp till 1,6 m långa) läggs i lager i en relativt kompakt formation som kan vara upp till 1,5 m hög och det brinner enbart i pannans nedersta del. Förbränningsluften tillförs av fläktar och styrs för optimal förbränning. När veden som ännu inte brinner ligger i den varma förbränningskammaren, avges pyrolysgaser vilka blandas med sekundärluften och förbränns i en återförbränningszon som konstruerats speciellt för detta syfte. Därigenom nås en förbränningseffekt på över 90 %. Det tar 4-6 timmar för en matning att förbrännas helt och värmen som produceras under processen täcker normalt uppvärmningsbehovet under 24 timmar.

Utbränning

Underförbränning




62


Fig. 3-7 Vedeldad panna med underförbränning (källa: Fröling)

För att uppfylla säkerhetsbestämmelser måste systemet alltid kunna rymma eller lagra energin från en fullmatad panna. Det är därför dessa manuellt matade vedpannor nästan alltid används tillsammans med en ackumulator, vilken även kan uppvärmas med elpatron vid behov.

3.2.1.7 Automatiska träflis- och sågspånspannor Pannor där bränslet matas automatiskt kan styras efter värmebehovet, så att de kan drivas helt automatiskt ned till ca 10 % av maxbelastningen. Detta gäller inte enbart olje- och gasugnar, utan är även möjligt med fastbränslepannor. Dessa omfattar följande system:

• Bottenmatad stoker med träflis från ett magasin med en långsam ”flishuggare”. • Bottenmatad stoker med träflis (Fig. 3-8). Beroende på anläggningens storlek kan

flisen förberedas med en stationär flishuggare som är en del av pannsystemet (industriell anläggning), eller med mobila maskiner. Träflisens fukthalt kan dock utgöra ett problem. Det går lätt att elda träflis med en fukthalt på 25-30 %, vilket den oftast har en efter bara en kort tids lagring i skogen. ”Grön träflis” har dock ett högt svavelinnehåll och ett relativt lågt värmeinnehåll. Det optimala värmeinnehållet och ett minimalt svavelinnehåll nås efter att materialet torkats i 3 till 4 år. För ett effektivare utnyttjande av det tillgängliga trämaterialet och för försörjning till mindre anläggningar (från 30 kW), köps träflisen från stora lokala torkanläggningar.

• Fläktugnar för fingradigt träavfall (t.ex. sågspån) inom träindustrin.

Fig. 3-8 Automatisk bottenmatad stoker med träflis




63


3.2.1.8 Pelletseldade pannor Träpellets med en diameter på 6 till 8 mm och en längd på cirka 25 mm tillverkas uteslutande av komprimerat obehandlat träavfall utan kemiska tillsatser. 2 kg träpellets motsvarar 1 liter eldningsolja.

Träpellets

• är en förnyelsebar energikälla som tillverkas av träavfall och därmed CO2-neutrala • har en låg emissionshalt när de eldas i en träpelletspanna • har en hög skrymdensistet och kräver därför relativt litet förvaringsutrymme • kan tillverkas lokalt för att minska behovet av långa transporter

Fig. 3-9 Träpellets – pressas av obehandlat träavfall

Specifikationerna för träpellets definieras enligt Svensk Standard SS 187120. Nedan följer vissa specifikationer för träpellets enligt SS 187120 Grupp I:

Värmevärde ≥ 4,7 kWh/kg

Skrymdensitet ≥ 600 kg/m3

Fukthalt ≤ 10,0 %

Askhalt ≤ 0,7 %

Längd ≤ 4 gånger diametern

Moderna träpelletspannor är mycket praktiska. Det finns små modeller som kan användas i bostäder. De matas varannan till var tredje dag med pellets i praktiska säckar.

Fig. 3-10 Träpelletsugn för användning i bostad med pelletsmagasin för tillfällig lagring (genomskärning)

Större träpelletspannor installeras i pannrum. Pelletsen förvaras i ett separat utrymme, varifrån de automatisk matas till pannan via en skruvtransportör eller ett sugsystem. Pelletsen levereras av en tankbil som fyller på förvaringsutrymmet.

Träpellets




64


Fig. 3-11 Anläggning med träpelletspanna (källa: Oekofen) 1 Pelletspanna 2 Pelletslagring 3 System med vakuummatning

3.2.2 Koks- och koleldade pannor Koks och kol används huvudsakligen i stora anläggningar där emissionen av skadliga föroreningar (dvs. emissionen av luftföroreningar till uteluften) är enklare att kontrollera än i mindre system. Tack vare de standardiserade storlekarna lämpar sig kol för automatisk matning.

3.2.3 Användning av solenergi I det här avsnittet beskrivs användningen av solenergi både för uppvärmning och för varmvattenberedning.

I Europa avger solen minst värme vid den tiden på året då uppvärmningsbehovet är som störst, dvs. under december och januari. Solvärmen är inte idealisk som enda metod för uppvärmning av en byggnad (monovalent uppvärmning). Sådana installationer har utvecklats i forskningssyfte, men hittills har de alltid visat på låg lönsamhet. I vår del av världen används solkraft därför normalt i kombination med andra energikällor (trä, elektricitet, gas etc.). Tumregeln är att använda ”så mycket solkraft som är rimligt under de rådande förhållandena”. Många faktorer spelar in i bedömningen av det årliga värmebehov som kan uppfyllas av solen. Denna ”soltäckning” uttrycks i förhållande till ”nettoenergibehovet” (uppvärmningsbehov efter avdrag av sekundärvärmen från solstrålning och intern spillvärme).

Kombinerad värmeproduktion för uppvärmning och varmvattenberedning i en enfamiljsvilla med den värmeisolering som används idag, ger en soltäckning på 50 %. Täckningsgrad som är högre än 50 % kan uppnås, men endast med extremt god värmeisolering och en exceptionellt stor – och därmed oekonomisk – solenergiinstallation.

För varmvattenberedning är soltäckningen närmare 100 % under stora delar av året (under förutsättning att beredaren är tillräckligt stor).

I stora byggnader beror täckningen på vad solvärmen används till, på klimatzonen och på den övergripande strategin. Därför kan en mycket låg soltäckning på 5-20 % visa sig vara optimal ur ekonomisk synvinkel.

Utomhusbassänger kan värmas helt med solvärme, under förutsättning att ett begränsat utnyttjande (t.ex. vid dåligt väder) är acceptabelt.

I vilken omfattning täcks värmebehovet av solen?

1

2 3




65


3.2.3.1 Bivalent system för uppvärmning och varmvattenberedning I den bivalenta installationen (Fig. 3-12), står solvärmekretsen för huvuddelen av den producerade värmen under övergångssäsongerna, dvs. höst och vår. Pannan behövs i första hand på vintern då den utnyttjas maximalt.

Det konventionella systemet (B) kompletteras av solvärmesystemet (A). Den solvärme som produceras i solfångaren (1) avges via solvärmekretsen (2) och överförs till varmvattenberedaren(3). Om temperaturen i beredaren är för låg, tillför spetsvärmepannan (4) den extra värme som behövs. Vattnet som värmts i beredaren cirkulerar direkt genom radiatorsystemet (5) och tappvarmvattnet värms via en rörslinga (6) som går genom beredaren.

1ϑ1

2

R3 6

A B

4

5

ϑ2

Fig. 5 Fig. 3-12 Exempel på en bivalent solvärmeinstallation med spetslastvärmepanna och distributionssystem för uppvärmning och varmvattenberedning

I den här installationen används beredaren (3) inte enbart som en behållare för värme-mediet, utan även för att separera de samverkande värmeproduktions- och värmeförbrukningskretsarna hydrauliskt. På så sätt blir det möjligt att t.ex. slå av och på pumpen i solvärmekretsen utan att tryckförhållandena i spetslastvärmepannans kretsar påverkas. När spetslastvärmepannans krets aktiveras påverkas temperaturen i beredaren, men inte trycket. Den föränderliga vattenvolymen i värmeförbrukningskretsarna (5) och (6) har ingen hydraulisk effekt på de två försörjningskretsarna. Solvärmedelen (A) återfinns i en liknande form i många andra applikationsexempel. Huvudkomponenterna beskrivs kort nedan.

3.2.3.2 Solfångaren som värmeavgivare En vanlig lösning för uppvärmning och varmvattenberedning är den fasta plana glasade solfångaren (Fig. 3-13). Den är enkel att tillverka, har ett relativt lågt pris, är i princip underhållsfri och kan enkelt integreras fysiskt i byggnaden. Solfångare finns som ytmonterade individuella paneler för vinklade och platta tak, eller som integrerade paneler för vinklade tak. I regel kostar den sistnämnda mindre och ger bättre effekt än ytmonterade paneler vilkas exponerade kanter gör dem mer utsatta för värmeförluster.




66


4 3 1

Fig. 6

Fig. 3-13 Plan glasad solfångare (inbyggd i taket) 1 Hölje av stålplåt 2 Glaspanel 3 Absorbator 4 Värmeisolering

Plana solfångare har en svart absorbator där solstrålningen omvandlas till värme. Absorbatorn har kylkanaler som värmeöverföringsvätskan cirkulerar genom. Absor-batorn är inbyggd i ett isolerande hölje och är täckt med glas på den sida som är vänd mot solen. Paneler av den här typen når en maxtemperatur på över 100°C, vilket innebär att de kan producera de temperaturer på 30-70°C som behövs för uppvärmning och varmvattenberedning direkt och mycket effektivt. För uppvärmning av utomhusbassänger lämpar sig oglasade solfångare normalt bättre och de är mer ekonomiska tack vare de lägre temperaturer som krävs.

Medan solens strålar passerar obehindrat genom glaset, reflekterar glasytan den värmestrålning som avges av absorbatorn. Eftersom panelhöljet också innehåller luft, och eftersom denna luft är uppvärmd, överförs en del av den producerade värmen till glaspanelen och det värmda glaset avger denna värme till uteluften. Det betyder att 30-40 % av den solstrålning som tas emot går till spillo hos platta solfångare med en glasruta. Experiment med 2-glaspaneler har gett dåliga resultat eftersom de var mycket dyrare och dessutom gick sönder mycket oftare på grund av de spänningar som uppstår i samband med värmeutvidgningen. Av dessa skäl föredrar man större panelytor med en enkel glasruta. Nedan följer riktvärden för Centraleuropa för det årliga bruttovärdet för en platt solfångare med en glasruta:

400-500 kWh/(m2a) för en genomsnittlig paneltemperatur på 60°C

500-600 kWh/(m2a) för en genomsnittlig paneltemperatur på 40°C

På exceptionellt soliga platser kan de uppmätta värdena vara upp till 50 % högre.

Panelerna måste kunna klara extrema temperaturer när systemet inte är i drift. De bör dock ändå övertäckas under långa stilleståndsperioder, för att skydda dem från strålning och förlänga deras livslängd.

3.2.3.3 Solvärmekretsen Det är i solvärmekretsen som värmeöverföringen från solfångaren till beredaren sker. Den består av rörledningar, en cirkulationspump, ventiler, en värmeväxlare för överföring av solvärmen till värmesystemet och en styrenhet som startar pumpen så länge det finns en tillräckligt stor temperaturdifferens mellan panelen och beredaren. Värmeöverföringsmediet är en vätska som innehåller frys- och korrosionsskyddsmedel, vanligtvis en blandning av vatten och glykol eller liknande vätskor. Eftersom flödet inte bör överstiga 20-30 liter per timme och m2 av panelytan, krävs endast relativt klena rör och små cirkulationspumpar.

3.2.3.4 Ackumulatorn I ackumulatortanken lagras den temporärt tillgängliga solenergin så att värme avges efter behov och så mycket energi som möjligt utnyttjas.

Värmekapacitet

Temperaturstabilitet

2




67


Tidigare var ackumulatortankarna ofta överdimensionerade. Mätningar har dock visat att mindre ackumulatortankar ofta ger en bättre lönsamhet. När små ackumulatortankar används måste dock ofta en andra värmekälla finnas tillgänglig.

Som en grov riktlinje anges en lagringskapacitet på 50-100 liter för varje m2 av solfångarytan. Det högre värdet gäller system för uppvärmning och varmvattenberedning och det lägre värdet gäller för system med enbart varmvattenberedning. Mot bakgrund av detta krävs en varmvattenackumulator på cirka 350-500 liter eller en kombinerad ackumulator för uppvärmning och tappvatten på 1 000-2 000 liter för en enfamiljsvilla.

3.2.3.5 Exempel på solvärmesystem Direktförvärmning av tappvarmvatten via solvärme Om värmebehovet är konstant, strömmar solvärme direkt ”från leverantör till konsument”. Den enda ”mellanledet” är värmeväxlaren och solvärmekretsen utan styrventiler. Kostnaden för en sådan installation är cirka en tredjedel till en fjärdedel av kostnaden för solfångaren.

Större system för förvärmning av tappvarmvatten System med hög förbrukning av tappvarmvatten (exempelvis hotell, sportanläggningar, etc.) kan få stora ekonomiska fördelar med denna metod. Ju större solfångarens yta är, desto mindre blir den andel av totalkostnaden som utgörs av solvärmekretsen. Verkningsgraden är också hög eftersom systemet verkar i intervallet 10-30 °C. Resultatet blir praktiskt taget ingen outnyttjad överskottsvärme.

Fig. 3-14 Större system för förvärmning av tappvarmvatten

Tappvarmvatten med självcirkulerande solvärmekrets Solvärmekretsen självcirkulerar så länge temperaturdifferensen är tillräckligt stor mellan solfångarna och ackumulatorn, vilken måste vara placerad högre än solfångarna. Det är nödvändigt att rörledningarnas area är cirka två gånger grövre än för system med cirkulationspump, samt att värmeöverföringsmediet i värmeväxlaren flödar uppifrån och ned i en vertikal spiral.

Eftersom det inte finns någon pump eller något reglersystem är denna metod idealisk för små installationer. Mätningar visar att verkningsgraden är mer eller mindre den samma som hos system med cirkulationspump.

Vilken ackumulatorstorlek krävs?

Exempel 1

Exempel 2

Exempel 3

R




68


Fig. 3-15 Tappvarmvattenberedning med självcirkulerande solvärmekrets

3.2.3.6 Nettovärmevärde efter förluster Den användbara värme som distribueras från beredaren bestäms av bland annat följande faktorer:

– Solfångarens driftstemperatur (glasade paneler ger 30-40 % mer vid 40°C än vad de gör vid 60°C)

– Värmeförluster i rörledningar och beredare – Överensstämmelse mellan perioder av solsken och perioder av värmebehov

(behövs huvudparten av solvärmen huvudsakligen när den är som mest tillgänglig?)

Effektiviteten hos ett solvärmesystem beror på kapitalkostnaderna, nettovärmevärdet, kostnaden för andra energimedier, installationens livslängd och underhållskostnader. Ekonomisk effektivitet är en tveklös fördel i större anläggningar som används för att förvärma tappvarmvatten och ibland även för golvvärme i kalla, soliga områden.

3.2.4 Direktverkande el med värmeackumulering 3.2.4.1 Ackumulator med fast massa Ackumulatorer med fast massa är mindre utrymmeskrävande än vattentankar och kan användas för alla typer av värmesystem. Värmeenergin lagras i en magnesitkärna som värms till cirka 650°C med elektriska resistorer. God värmeisolering krävs för att optimera lagringseffektiviteten.

Det finns två sätt att överföra den lagrade värmeenergin till varmvattnet:

1. Ett behovsstyrt luftflöde för över värmen från ackumulatorn till luft-/vattenvärmeväxlaren

2. En rörlig värmeväxlare förs in i ackumulatormassan på ett djup som varierar beroende på värmebehovet.

Den ekonomiska effektiviteten hos solvärmesystem




69


3

4

9

10

8

57

11

12

B16-9

1

2

6

Fig. 3-16 Princip för ackumulator med fast massa med cirkulerande luft 1 Ackumulatorblock 7 Utomhusgivare 2 Värmeelement 8 Styrenhet för urladdning 3 Värmeväxlare 9 Fläkt 4 Värmeisolering 10 Motor 5 Styrenhet för laddning 11 Framledningsgivare 6 Restvärmegivare 12 Cirkulationspump

3.2.4.2 Vattenackumulator En vattenackumulator är mer utrymmeskrävande än en ackumulator med fast massa, men den kan användas tillsammans med fler värmekällor. Ett bra exempel är vedeldade pannor som används för att täcka huvuddelen av uppvärmningsbehovet under vintern. I elektriska vattenackumulatorer värms vattnet till önskad temperatur. Väderkompenserad dellast kan uppnås genom användning av en extern flödesvärmare eller elvärmare i beredaren i kombination med en extern laddningspump, eller, i system med en beredare med elvärmare som är fördelade från toppen till botten. Kombinerat med en annan värmekälla, t.ex. en vedeldad panna, ligger lagringstemperaturen på en lägre nivå. Värmeuteffekten styrs av en väderkompenserad framledningsreglering. För att lagringsvolymen ska kunna utnyttjas på bästa sätt ska returtemperaturen vara så låg som möjligt (< 40°C).

Fig. 3-17 Bivalent (ved/el) uppvärmningssystem med elektrisk beredare, inklusive begränsning för dellast




70


3.2.5 Värmepumpar Konstruktionen av och funktionen hos en värmepump är tekniskt sett identisk med den hos en kylmaskin eller kylare. Kompressorns och absorptionskylmaskinens/värme-pumpens funktionsprincip beskrivs i avsnitt 4 (Kylteknik).

3.2.5.1 Vanliga värmesystem I ett monovalent värmesystem med värmepump levererar värmepumpen all värme. Därför måste värmepumpen kunna uppfylla byggnadens uppvärmningsbehov ned till den dimensionerande utetemperaturen. Monovalent drift kan oftast användas när värmeenergi från marken, avloppsvatten, grundvatten och sjövatten utnyttjas.

Ett bivalent värmesystem med värmepump har två värmekällor. Värmepumpen och t.ex. en elpanna eller en vedeldad panna. Pannan tillhandahåller värmen vid låga utetemperaturer, antingen separat (alternerande drift) eller i samverkan med värmepumpen (parallell drift).

3.2.5.2 Metoder för tillvaratagande av omgivningens energi De här pumparna utvinner värme från luften, normalt uteluften, men även frånluften i ett ventilationssystem där det är möjligt, så att spillvärme kan utnyttjas. Luft-/vattenvärmepumpar kan vara konstruerade som paket eller separata enheter. I paketenheter för inomhusinstallation, flödar luften genom en kanal till värmepumpen. En delad enhet består av två komponenter: Den första delen är förångaren med fläkten och kompressorn. Den monteras på byggnadens utsida. Den andra komponenten i en delad enhet är kondensorn och denna del installeras t.ex. i källaren eller i en värmecentral. De två komponenterna kopplas samman av köldmedieledningarna. Systemet fylls med köldmedium.

Vid förångningstemperaturer under 0°C, kan rimfrost eller is bildas på förångaren och den måste då avfrostas regelbundet. Vid låga lufttemperaturer reduceras värmepumpens verkningsgrad dessutom markant. Därför är luft-/vattenvärmepumpen inte lämplig för monovalent drift.

De här pumparna utvinner värme från avloppsvatten, grundvatten, vattendrag eller sjöar. Eftersom temperaturen är relativt konstant, lämpar sig vatten/vattenvärmepumpar för både monovalent och bivalent parallell drift.

Om temperaturen på kretsen på kylsidan (köldbäraren) sjunker under 0°C måste den innehålla ett medium som är skyddat mot att frysa. Därigenom blir det möjligt att utnyttja värmen från omgivningen även vid temperaturer under fryspunkten. Eftersom frysskyddsmedel har något mindre fördelaktiga fysiska egenskaper (specifik värmekapacitet och viskositet), måste värmeväxlaren och cirkulationspumpen vara större.

3.2.6 Kraftvärme Kraftvärme är en process där elektricitet och värme produceras samtidigt. Uttrycket härstammar från den tid då ångmaskinerna i fabrikerna producerade kraften som drev maskinerna och ångan användes för uppvärmning. Idag vore det egentligen mer rättvisande att kalla det ”kombinerad elektricitet och värme”. Termen ”kraftvärme” används dock fortfarande.

Funktionsprincip

Luft/vatten värmepumpar

Vatten/vatten värmepumpar




71


3.2.6.1 Kraftvärmeapplikationer Nedan följer en kortfattad sammanfattning av de olika applikationstyperna

– Ångturbin + generator: Används i första hand för att producera elektricitet i kärnkraftverk och i konventionella kraftvärmeanläggningar. Värme produceras för att förbättra den totala utnyttjandegraden i fall där ett fjärrvärmenät kan installeras.

– Gasturbin eller stor diesel + generator: För stora anläggningar med behov av värme och elektricitet.

– Kraftvärmeanläggning: För uppvärmning och samtidigt elproduktion. Elektriciteten genereras i enlighet med värmebehovet. Det ger en förbättring av den totala utnyttjandegraden, framför allt i samband med drift av en elvärmepump.

När en värmeproducerande anläggning genererar elektricitet, vet vi att effekten hos den elproducerande anläggningen inte är mer än 30-35 %, beroende på typen av kraftanläggning. Resten är spillvärme som enbart kan utnyttjas om ett tillräckligt stort antal värmeförbrukare finns inom ett rimligt avstånd från kraftverket. Stora kraftverk brukar dock byggas på långt avstånd från bostadsområden och därför kan det vara oekonomiskt att konstruera ett fjärrvärmenät. I dessa fall släpps spillvärmen ut i omgivningen (uteluft eller ytvatten) via kylanläggningen.

Genom att bygga små kraftverk i form av kraftvärmeanläggningar i närheten av värme-förbrukarna kan 30-35 % av det totala värmevärdet hos bränslet utnyttjas som höggradig elkraft och ytterligare 50-55 % som värmeenergi. Med andra ord kan 80-95 % utnyttjas.

Genom att utnyttja den producerade elektriciteten för att driva en elvärmepump, som i sin tur avger cirka tre gånger denna drivkraft i form av användbar värme, går det att generera över 150 % användbar värme från den totala primära energin.

Om en kraftvärmeanläggning ska placeras i värmecentralen i en byggnad eller mitt i ett bostadsområde, måste buller och skadliga utsläpp ligga inom de gränsvärden som anges i de lokala bestämmelserna.

Ett intressant alternativ är en kombination av kraftvärme och en absorptionskylmaskin/-värmepump. Den kan användas för att producera el året om och för att utnyttja spillvärmen för uppvärmning under vintern och avkylning under sommaren.

En kraftvärmeanläggning används för att möta behovet av värme och elektricitet. Det viktiga är att båda energityperna behövs i befintligt förhållande och samtidigt. En kraftvärmeanläggning kan även helt eller delvis ersätta en nödström-försörjning.

3.2.6.2 Bränsleceller Bränslecelltekniken har funnits i över 160 år. Bränslecelleffekten upptäcktes av Christian Friedrich Schönbein, som var professor vid universitetet i Basel år 1829-1868. År 1839, beskrev britten William Robert Grove, som var vän till Schönbein, effekten som en omvänd elektrolys och insåg dess potential som metod för elproduktion. Från 1842 till 1844 arbetade Grove intensivt med bränslecellen, som han fortfarande kallade ett ”gasbatteri”. Han seriekopplade cellerna för att öka uteffekten. Det skulle dock dröja länge innan detta kunde utnyttjas praktiskt. Det var inte förrän under andra delen av 1900-talet som tekniken användes för specialapplikationer, däribland bemannade rymdfärder. Det största skälet till fördröjningen var behovet av att utveckla lämpliga material. Utvecklingen av bränsleceller för civila applikationer har drivits på av nationella forskningsprogram. Numera är det en vedertagen uppfattning att bränslecell-tekniken befinner sig på randen av ett betydande tekniskt och kommersiellt genombrott som kommer att revolutionerna den mobila och stationära energiförsörjningen under 2000-talet.

Varför kraftvärme?

Användning av en kraftvärmeanläggning




72


En bränslecell omvandlar den energi som lagrats i kemisk form i (det vanligtvis gasformiga) bränslet, direkt till elektricitet och värme.

Den fungerar i stort sett som ett batteri. En bränslecell består av elektroder (katod och anod) som åtskiljs av en elektrolyt. Bränslet oxideras på anoden. Elektronerna som frigörs i denna process strömmar via en extern krets till katoden. Under detta förlopp kan de utföra elektriskt arbete. På katoden absorberas elektronerna av oxidanten som samtidigt reduceras. Förutom elektricitet genererar den kemiska reaktionen värme.

Skillnaden mellan bränslecellen och batteriet är att bränsleceller fortsätter att producera elektricitet och värme så länge bränsle tillförs.

Fig. 3-18 Funktionsprincipen för en bränslecell

Ingen annan teknik för samtidig produktion av elektricitet och värme har så många fördelaktiga egenskaper sammantaget som bränslecellen:

• Hög elektrisk effektivitet 35 % i testanläggningar och 60 % vid laboratorieförhållanden

• Brett uteffektintervall Från bara några få watt till flera megawatt

• Låga nivåer av skadliga utsläpp Huvudsakligen vattenånga och koldioxid (med kolbaserade bränslen). Tack vare att bränslecellerna har en högre effekt, är koldioxidbalansen betydligt bättre än hos konventionella värmemotorer.

• Låga driftskostnader Få rörliga delar och därmed låga underhålls- och driftskostnader

• Brett urval av lämpliga bränslen • Tyst gång tack vare få rörliga delar De olika typerna av bränsleceller klassificeras enligt den typ av elektrolyt som används. Den kan ha vätskeform eller fast form beroende följande krav

• Bränslets och oxidantens typ och renhet • Drifttemperatur • Konstruktion I nuläget finns det i grunden fem olika typer av bränsleceller. Det finns fler varianter som fortfarande befinner sig i ett tidigt utvecklingsstadium. Bränslecellen väljs utifrån den typ som lämpar sig bäst för en viss applikation.

Funktionsprincip

Fördelar

Olika typer av bränsleceller

Katod

Elektrolyt

Anod

O2 O2 O2 O2

Extern kraft-krets

Luft

Bränsle (H2, CO) H2O, CO2




73


Celltyp Märkning Användning (exempel)

Alkaline fuel cell (alkalisk bränslecell)

AFC Rymdfärder, militära applikationer

Polymer electrolyte fuel cell (polymer-elektrolytbränslecell)

PE(M)FC Mobil och stationär – lågt till mellanuteffektintervall

Phosphoric acid fuel cell (fosforsyra-bränslecell)

PAFC Stationär – mellanuteffektintervall

Molten carbonate fuel cell (smältkarbonat-bränslecell)

MCFC Stationär – mellanuteffektintervall

Solid oxide fuel cell (fastoxid-bränslecell)

SOFC Stationär – lågt till högt uteffektintervall

Fig. 3-19 Bränslecelltyper och deras användningsområden

Valet av elektrolyt påverkar kraven på bränslecellens bränsle, oxidant, driftstemperatur och konstruktion.

Typ Bränsle Oxidant Elektrolytens fysiska

tillstånd

Jonernas passage

genom elektrolyten

Drifttemperatur

AFC Ren H2 Luft + H2

(utan CO2)

Fast OH- Cirka 70°C

PE(M)FC Ren H2 Luft (utan CO) Fast H+ Cirka 80°C

PAFC H2 Luft (utan CO) Vätska i en matris H+ Cirka 200°C

MCFC CH4, H2, CO Luft + CO2 Smält CO32- Cirka 650°C

SOFC CH4, H2, CO Luft Fast O2- Cirka 700-1000 °C

Fig. 3-20 Bränsle, oxidant och drifttemperaturer för olika bränslecelltyper

3.2.7 Fjärrvärme Fjärrvärme är användbar värmeenergi som produceras centralt och distribueras över ett stort geografiskt område med hjälp av ett värmeöverföringsmedium och ett rörledningsnät. Det vanligaste värmeöverföringsmediet är varmvatten eller ånga med hög temperatur.

Det viktigaste motivet för fjärrvärmesystem är att de gör det möjligt att försörja områden, städer eller regioner från ett litet antal högeffektiva värmekällor.

Ett försörjningssystem för fjärrvärme (fig. 3-21) består huvudsakligen av fyra delar, värmeproduktion (1), distributionsnät (2), fjärrvärmecentral (3) och lokal installation (4) för uppvärmning, tappvarmvatten och andra värmeförbrukare.

1 2 3 4

Q1 Q2 Q3B

ΔQ12 ΔQ23 B16-17 Fig. 3-21 Fjärrvärmenät med de fyra huvuddelarna 1 Värmeproduktion 2 Distributionsnät 3 Fjärrvärmecentral 4 Lokal installation

Vad är fjärrvärme?




74


3.2.7.1 Värmekällor Fjärrvärme produceras normalt i värmekraftverk, ibland genom att utnyttja spillvärme från industriprocesser eller avfallsförbränning. Ett särskilt sätt att utnyttja spillvärme är för produktion av ”kall fjärrvärme” från vatten-reningsverk. Det ljumna, renade vattnet leds via fjärrvärmeledningar till en matarstation för lokal värme, där det används som värmekälla för en värmepump, så att den kan drivas med en relativt hög verkningsgrad.

3.2.7.2 Distribution av fjärrvärme Värmen överförs från produktionsanläggningen till värmeförbrukarna via fjärrvärmens distributionsnät. Detta är ett slutet, trycksatt cirkulationssystem som består av värmeisolerade rör. Ånga rör sig från värmekällan till förbrukarna genom utvidgning, men nätet med högtempererat varmvatten behöver cirkulationspumpar för distributionen.

Vanliga nätverkskonfigurationer (fig. 3-22) är radialnät (a), ringnät (b) och mask-formigt nät (c). Radialnätet är enkelt och relativt billigt, men det är också mer sårbart än ringnätet och det maskformiga nätet, vilka dock är betydligt dyrare. Därför används oftast en blandkonfiguration. Radialnät används huvudsakligen i lokala värmedistributionssystem, medan ringnät och maskformiga nät oftare återfinns i fjärrvärmenät.

Fig. 3-22 Distributionsnät för fjärrvärme a) Radialnät b) Ringnät c) Maskformigt nät 1) Produktionsanläggning

Dragningen av rörledningarna beror på topografin, de lokala förhållandena och markförhållandena. Flera system har utvecklats för fjärrvärmeledningar och varje system har sina fördelar och nackdelar. För att hålla nere distributionsförlusterna i största möjliga utsträckning, isoleras hela nätet. Där det är möjligt regleras framledningstemperaturen som en funktion av utomhustemperaturen. Man anstränger

1

a)

1 1

b)

1 1

c)




75


sig för att minimera totalkostnaden för distributionsnätet genom att ha en stor temperaturdifferens mellan framlednings- och returtemperaturer och på så sätt minimera flödet.

3.2.7.3 Fjärrvärmecentral Fjärrvärmecentralen är länken mellan den lokala installationen och distributionsnätet.

Vid indirekt distribution är installationen för varje enskild slutanvändare och distributionsnätet hydrauliskt åtskiljda av en värmeväxlare. Detta gör distributionsnätet och slutanvändarens installation oberoende av varandra, även vad gäller trycket.

Fig. 3-23 Fjärrvärmecentral (exempel) A Distributionsnät B Fjärrvärmecentral C Lokal installation 1 Värmemätare 2 Ev. tryckreglering 3 Temperaturreglering av lokal installation 4 Värmeväxlare

Vill du veta mer? Styrning och reglering av värmesystem beskrivs i kompendiet ”Styr & reglerfunktioner i värmesystem” utgivet av Siemens AB BT, Utbildning

1

23

4

A CB




76


3.3 Huvudkomponenter 3.3.1 Pumpar I värme- och kylsystem har pumpen till uppgift att transportera energi till användarna. De tryckförluster som uppkommer i rörledningar, rörkrökar, styrventiler, m.m. måste kompenseras av pumpen. De vanligaste pumparna som används till detta är centrifugalpumpar, där rörelseenergi överförs till pumphjulet via motorn och omvandlas till tryckkraft vid pumpens utlopp.

Fig. 3-24 Cirkulationspump och (till höger) installerad i ett värmesystem

3.3.1.1 Pump- och systemkarakteristik Karakteristiken hos en pump beskriver dess verkan. Den visar drivtrycket (Δp) som en funktion av volymflödet ( ).

Pumpars karakteristikkurvor väljs efter behovet. Pumpar med konstant varvtal har en neråtlutande karakteristik (se 1 och 2 i fig. 3-25). Denna karakteristik kan användas i system med konstant flöde. I system med varierande flöde bör pumpens varvtal styras med reglering av konstant drivtryck (3) eller flödesberoende drivtryck (4).

V

1

2

3

4

Δp, H

.

Fig. 3-25 Pumpkarakteristikkurvor 1 Brant neråtlutande karakteristik 2 Flack neråtlutande karakteristik 3 Horisontell karakteristik, konstant drivtryck (med varvtalsstyrning) 4 Uppåtgående karakteristik, flödesberoende drivtryck (med varvtalsstyrning)

Funktion

Pumpkarakteristik V&




77


Nödvändigt pumptryck beror, som redan nämnts, på tryckfallet i systemet. Tryckfallen är kvadratiska som en funktion av volymflödet V& , enligt följande formel

2V p &=Δ

Flödesändringar i systemet (t.ex. en stängande styrventil) leder till ökande pumptryck om en pump med konstant varvtal används (Fig. 3-26).

2

3

Δp

1

V.

Fig. 3-26 Pumpens arbetspunkt från systemkarakteristik och pumpkarakteristik 1 Pumpkarakteristik (vid ett givet varvtal, n) 2 Systemkarakteristik vid nominellt flöde (fullt öppen styrventil) 3 Systemkarakteristik vid minskat flöde (stängande styrventil)

Fig. 3-27 visar att pumptrycket n1 stiger från Δp1 till Δp2 när det flödet i systemet minskas till 50 % (arbetspunkten går från 1 till 2). Detta påverkar ventilkarakteristiken (se avsnitt 5.6 ”Ventilkarakteristik”) och måste beaktas i system med variabla flöden. Av systemkarakteristiken (I) framgår det dessutom att det pumptryck som krävs är mycket lägre, Δp3. Denna arbetspunkt (3) ligger på en pumpkurva med ett lägre varvtal, n2.

1

2

3

I

n1

Δp3

Δp1

Δp2

n2

Δp

V.

Fig. 3-27 Arbetspunkter vid 50 % volymflöde I Systemkarakteristik 1 Arbetspunkt vid nominellt flöde 2 Arbetspunkt vid 50 % volymflöde och pump utan varvtalsstyrning 3 Arbetspunkt vid 50 % volymflöde och pump med varvtalsstyrning

Systemkarakteristik

Varför bör varvtals-styrning användas?




78


Pumpens effektbehov följer, liksom det tidigare nämnda tryckfallet, en regel. Effektförbrukningen är approximativt lika med kubiken hos volymflödet V&

3V P &≈ Om pumpen varvtalsstyrs sjunker effektförbrukningen till 12,5 % när flödet reduceras till 50 %, dvs. 1/8 av den ursprungliga effekten. Detta är naturligtvis ett rent teoretiskt värde, eftersom andra faktorer också måste beaktas. Det är exempelvis motorns verkningsgrad och, framför allt, drivtryck. I verkligheten kan effektförbrukningen reduceras till allt från cirka 50 % ned till 30 % av den ursprungliga förbrukningen, vilket ger betydande besparingar.

Den flödesreduktion som kan uppnås beror också på pumpkurvans karakteristik. Pumpar med brant karakteristik lämpar sig bättre för varvtalsstyrning än de med flack karakteristik.

3.3.2 Styrventiler Styrventilen består av ventil och ställdon. Dess funktion är att styra volymflödet mellan källan och förbrukaren så att effekten kan varieras mellan 0 och 100 %. Varje ventil har en eller flera portar som kan vara mer eller mindre öppna, eller som enbart kan ställas i två lägen, öppen eller stängd.

Ventilerna som används kan vara vridslidventiler eller sätesventiler (linjär lyftrörelse). För sätesventiler görs åtskillnad mellan:

• 2-vägsventiler • 3-vägsventiler

Fig. 3-28 Vänster: 2-vägsventil (gängad), höger: 3-vägsventil (flänsad) – båda visas med ställdon

Effektbehov

Exempel: Volymflöde 50 % Endast för utvärdering



79


2-vägsventilens öppningsarea ökas eller minskas när lyfthöjden ändras. Detta ger ett varierande volymflöde.

3-vägsventilen har en ventilport med konstant flöde. Genom att ändra lyfthöjden fås olika resultat, beroende på om ventilen har installerats som en blandningsventil eller som en fördelningsventil.

Blandning: Flödet genom ventilutloppet (port I) är konstant. Det är en blandning av flödet i de variabla portarna (II och III) (Fig. 3-29 till höger).

Fördelning: Ett inkommande konstant flöde (port I) delas i två variabla flöden i ventilutloppet (port II och III). (Obs! Alla 3-vägsventiler lämpar sig inte för installation som fördelningsventiler.)

Funktionen hos olika ventilkopplingar visas i avsnitt 5 ”Hydraulik i byggnader”.

2-vägsventil 3-vägsventil

Fig. 3-29 2- och 3-vägsventil (genomskärning) Portarnas märkning varierar beroende på typ och tillverkare

3.3.3 Injusteringsventiler Injusteringsventiler har uttag för att kunna mäta tryck och flöde. De kan även användas i systemdelar med konstant flöde för att ställa in det önskade flödet.

Denna process kallas hydraulisk balansering. Den är nödvändig för att systemet ska fungera felfritt.

Fig. 3-30 Konstantflödessystem med injusteringsventiler (grönmarkerade) Injusteringsventil

2-vägsventiler

3-vägsventiler

Hydraulisk balansering




80


3.3.4 Säkerhetsutrustning Beroende på typen av installation krävs olika säkerhetskomponenter. De viktigaste är:

• Säkerhetstemperaturgivare • Säkerhetstemperaturbegränsare • Säkerhetsventiler • Expansionskärl

Fig. 3-31 Säkerhetsutrustningar i ett lågtempererat värmesystem med slutet expansionskärl 1 Säkerhetstemperaturgivare 2 Säkerhetstemperaturbegränsare 3 Säkerhetsventil 4 Expansionskärl

De relevanta bestämmelserna och direktiven anger vilka säkerhetskomponenter som måste installeras. Följande är ett exempel på DIN-standard.

Anläggningar för värmeproduktion Standard

Öppna och slutna fysiskt skyddade anläggningar för värmeproduktion med temperaturer upp till 120°C

DIN 4751 del 1

Slutna termiskt skyddade anläggningar för värmeproduktion med temperaturer upp till 120°C

DIN 4751 del 2

Högtempererade vattenburna värmesystem med temperaturer över 100°C (med säkerhetsåtgärder för tryck över 0,5 bar) som inte omfattas av DIN 4751-2.

DIN 4752

Grupp 1: Hållande av en maximalt tillåten temperatur på 130°C med tryckbegränsande utrustning på maximalt 1,5 bar. Volym [m3] x drifttryck [bar] = < 10.

Grupp 2: Alla andra högtempererade värmesystem med temperaturer över 110°C

Fjärrvärmecentraler med högtempererat varmvatten DIN 4747 del 1

Värmesystem för dricks- och servicevatten upp till 95°C DIN 4753 del 1

Säkerhetstemperaturgivare bryter energiförsörjningen när en förinställd gränsvärdestemperatur nås. De återställs automatiskt när temperaturen åter sjunker under gränsvärdet eller när felet som fick givaren att lösa ut har avhjälpts. Säkerhetstemperaturbegränsare inaktiverar systemet (brännaren) när gräns-värdestemperaturen nås. De här enheterna måste återställas manuellt på plats (ibland

Säkerhets-temperaturgivare

Säkerhets-temperaturbegränsare

1 2 3

4




81


med ett verktyg) och detta kan inte göras förrän felet som fick temperaturbegränsaren att aktiveras har avhjälpts och temperaturen åter har sjunkit under gränsvärdet.

Fig. 3-32 Säkerhetstemperaturgivare och säkerhetstemperaturbegränsare för installation i en panna

Säkerhetsventiler är ventiler som förhindrar att ett fördefinierat tryck överskrids genom att de öppnas automatiskt mot atmosfäriskt tryck. I en nödsituation måste de kunna avge hela värmeeffekten i pannan i form av varmvatten och ånga med hög temperatur. Anslutningsrören ska hållas så korta som möjligt och allt större motstånd (t.ex. krökar) ska undvikas. Avledningsröret, som används för att avleda varmvattnet eller ångan, ska dras så att utloppet befinner sig i ett område (t.ex. bakom pannan, nära marken etc.) så att det inte utgör en fara för människor som befinner sig i närheten av pannan.

Fig. 3-33 Säkerhetsventil, genomskärning och installerad med ett (rött) avledningsrör

Alla vatteninstallationer behöver en ”kudde” för att ta upp utvidgningen som orsakas av temperaturförändringar i systemet. Denna ”kudde” utgörs av expansionskärlet. Storleken på kärlet beror på den totala vattenmängden och temperaturförändringen i systemet.

Numera har slutna system ofta ett lågt placerat expansionskärl som har följande fördelar:

– Enkelt och kostnadseffektivt att installera – Syre kan inte ta sig in i systemet och därför är det korrosionsfritt (under

förutsättning att kärlet har rätt storlek) – Ingen risk för att säkerhetsanordningarna fryser – Inget behov av långa och dyra dragningar av säkerhetsrör som är känsliga för

värmeförluster Expansionskärlen har ett gastätt membran (Fig. 3-34). Det delar kärlet i ett utrymme för gas och ett för vatten. Gasen finns ovanför membranet och nedsidan är kopplad till kärlets anslutningsrör och innehåller expansionsöverflödet från systemet.

Ett förtryck ställs in i kärlet. När temperaturen i systemet stiger pressas den ökade vattenvolymen mot membranet och gastrycket. Vid en temperatursänkning, som medför en volymminskning, pressar gastrycket mot membranet, så att tillräckligt med vatten för tillbaka till systemet. Beroende på fabrikatet består ”tryckkudden” av kväve eller komprimerad luft.

Säkerhetsventil

Expansionskärl

Funktionsprincip

1




82


Fig. 3-34 Expansionskärl med membran (vänster), expansionskärl för ett litet system (höger)

Membranen (elastomerer) åldras snabbare vid högre temperaturer. Av denna anledning installeras ibland ett separat mellankärl, i vilket vattnet kan svalna av innan det strömmar in i expansionskärlet.

Tryckhållningssystem är användbara för system som innehåller stora vattenvolymer och där differensen mellan det statiska trycket och det högsta drifttrycket måste hållas så liten som möjligt. Mottrycket hos gaskudden regleras av kompressorer, så att expansionsvattnet obehindrat och därmed enklare kan strömma in i kärlet, dvs. utan att mottrycket stiger som är fallet vid en stationär gaskudde. Dessa utrustningar levereras ofta i färdigmonterat skick, dvs. med kompressor, brytare och ventiler redan monterade på kärlet. Det finns även tryckhållningssystem med ett öppet expansionskärl innehållande expansionsvatten. Kärlet kommunicerar med systemet via en tryckhållningsenhet bestående av tryckgivare, tryckhållningspump och magnetventil. Då trycket i systemet sjunker under börvärdet startar pumpen och hämtar vatten i kärlet för att höja trycket i systemet. Då trycket stiger över börvärdet öppnar magnetventilen och släpper tillbaka vatten till kärlet.

· Fig. 3-35 Tryckhållningssystem med förmonterad kompressor och mellankärl som är anslutet uppströms

(vänster) Tryckhållningssystem med kompressor och styrutrustning (mitten) (källa: Pneumatex) Tryckhållningssystem med öppet expansionskärl och tryckhållningsenhet (höger) (Källa: Somatherm)

Mellankärl

Tryckhållningssystem




83


Högpunktsavluftare monteras på högpunkter i systemet. Funktionen är att fri luft stiger uppåt. När systemet är uppfyllt och i drift har de fria luftbubblorna svårt att av egen kraft lämna vätskan. Luftbubblorna cirkulerar med vätskan tills cirkulationen upphör. Först därefter kan bubblorna stiga mot högpunkterna. De automatiska högpunktsavluftarna, (flottörventilerna) har en benägenhet att läcka efter en tid beroende på olika faktorer t.ex. smuts i ventilen och beläggning på flottören. Dessa läckage kan ställa till med stora problem på komponenter utanför systemet, samt att otäta avluftare i vissa fall bidrar till att luft kommer in i systemet. Problemet löses genom att man monterar en avstängningsventil mellan systemet och högpunktsavluftaren.

Källa: Köldbärarlaget, ”Avluftningsteknik och pumpar i köldbärarsystem

Monteras där trycket är som lägst och temperaturen är som högst i systemet. Om man väljer att montera en gemensam avluftare för hela systemet, skall denna placeras så att hela vätskeflödet cirkulerar över avluftaren. Kvarvarande luftbubblor som inte avskiljdes vid påfyllnad av systemet cirkulerar nu i vätskan. Dessa passerar genom mikrobubbelavskiljaren där de fångas upp och avleds via flottöravluftare. Med tidigare nämnda metoder har den fria luften avlägsnats. För att kunna avlägsna även den bundna luften bör man använda undertrycksavgasning (trycksänkning). Ett delflöde av vätska från systemet passerar genom undertrycksavgasaren, där vätskan trycksänks och den bundna luften övergår som fri luft och därmed avlägsnas.

Källa: Köldbärarlaget, ”Avluftningsteknik och pumpar i köldbärarsystem

Avluftare

Mikrobubbelavskiljare

Undertrycksavgasare




84


3.4 Distributionssystem för uppvärmning 3.4.1 Självcirkulationssystem Pannan placeras vid systemets lägsta punkt (Fig. 3-36). Det uppvärmda pannvattnet har lägre densitet (dvs. är lättare) än det avsvalnade returvattnet och därför stiger det automatiskt i flödet. Ingen pump behövs. Eftersom det bara finns ett lågt differenstryck, krävs rörledningar med stor diameter.

Fig. 3-36 Självcirkulerande distributionssystem med ett öppet expansionskärl

3.4.2 Pumpsystem Detta är den vanligaste systemtypen. Framlednings- och returrören dras exempelvis under taket i källaren. Radiatorerna ansluts till stigarledningarna. Fig. 3-37 visar distribution med stigarledningar (vertikala distributionsrör). Denna installation är vanligtvis enkel att genomföra ur byggtekniskt perspektiv.

1 1

2 3

Fig. 22 Fig. 3-37 Tvårörssystem med medmatning (med lokala avluftningsventiler till vänster och centralt placerat avluftningskärl till höger) 1 Lokala avluftningsventiler 2 Centralt urluftningskärl 3 Avluftningsrör

Med distribution till varje våning i en byggnad genom horisontella distributionsrör, kan varje lägenhet eller våning utrustas med en egen värmemätare.

Tvårörssystem med medmatning




85


Rören dras så att den totala längden på hela kretsen är den samma för alla radiatorer. Det innebär att samma hydrauliska tryckförhållanden gäller för samtliga radiatorer.

Fig. 3-38 Vanligt tvårörssystem (vänster) och Tichelmann-system (höger)

Ettrörssystem består av ringkretsar där radiatorernas tillopp och retur parallellansluts. På så sätt kan värmevattnet fortsätta att cirkulera genom ringkretsen även om enskilda radiatorer stängs av helt.

Liksom i tvårörssystem, kan ettrörssystem konstrueras vertikalt eller horisontellt.

Det vertikala distributionssystemet med motmatning används ibland i höghus. Det är rationellt att installera.

Det horisontella distributionssystemet kan anpassas efter byggnadens struktur och möjliggör användning av individuella värmemätare. Huvudstigledningarna dras i rörschaktet i exempelvis badrummet. Ringkretsarna som ansluts till stigledningarna dras i golvavjämningen eller bakom golvsocklarna.

B16-24

Fig. 3-39 Ettrörssystem med horisontell distribution i en kontorsbyggnad

Tichelmann-systemet

Ettrörssystem




86


3.5 Värmeavgivning i vattenburna värmesystem 3.5.1 Radiatorer - konvektorer 3.5.1.1 Funktionsprincip Varje radiator avger differensen mellan den inkommande och den utgående vattentemperaturen i värmeeffekt till omgivningen. Värmen avges delvis genom strålning och delvis genom konvektion (dvs. värmeflöde via luft i rörelse).

Förhållandet mellan strålningsvärme och konvektion hos en fristående värmare av radiatortyp beror på dess konstruktion.

· · · Fig. 3-40 Värmeeffekt från värmeavgivare av radiatortyp Vänster Huvudsakligen genom strålning (panelvärmare) Mitten Genom strålning och konvektion (konventionell radiator) Höger Huvudsakligen genom konvektion (konvektorvärmare)

Avgiven värmeeffekt bör inte begränsas av några hinder. I praktiken påverkas den dock av ett flertal faktorer (se 3.5.1.2), varför den genomsnittliga radiatortemperaturen (framledningstemperaturen) måste ökas för att kompensera för denna begränsande inverkan.

3.5.1.2 Påverkan på värmeeffekten från en radiator Radiatorinklädnad, gardiner och möbler kan reducera strålningseffekten och/eller luftflödet kring radiatorn (minskar konvektiv effekt). Detta bör undvikas i möjligaste mån.

Om de minimiavstånd som tillverkaren angett för väggar, golv och fönsterbänkar inte följs, kan värmeeffekten reduceras med 15 % eller mer.

Om en radiator inte är ansluten på konventionellt sätt (med framledningen upptill och returen nedtill) kan värmeeffekten reduceras med upp till 25 %.

Luftens densitet – och därmed höjden över havet – har stor inverkan på värmeeffekten från en radiator. Reduktionen i uteffekt är cirka 5 % för varje 1 000 m över havsytan.

Det spelar inte någon roll om ljusa eller mörka färger används. Om metallisk bronsfärg används reduceras dock värmeeffekten med cirka 10 % (och upp till 25 % enligt andra källor).

3.5.2 Golvvärme Det finns flera olika golvvärmesystem på marknaden. Beroende på fabrikatet ska rören läggas under golvytan i ringar eller spiraler (Fig. 3-41). Syftet är att skapa en så jämn yttemperatur som möjligt och, för att motverka kallras, ge mer intensiv uppvärmning av zonerna längs ytterväggarna, genom att rören läggs närmare varandra i dessa områden. Golvvärmesystem är normalt lågtempererade värmesystem och kan därför drivas mycket ekonomiskt med lågtemperaturpannor, värmepumpar eller solkraft. De uppfattas också som en viktig faktor för känslan av komfort och används därför huvudsakligen i bostäder.

Inklädnad

Installation

Anslutning

Luftens densitet

Färg




87


Fig. 3-41 Golvvärme med fördelare (i bakgrunden)

I välisolerade byggnader är argumenten för golvvärme, vilka grundar sig på komfort och energianvändning, inte längre så betydelsefulla som tidigare. För det första ligger yttemperaturen hos det uppvärmda golvet bara något över rummets lufttemperatur. Samtidigt är yttemperaturen i rummet hos ytterväggar och fönster bara något under rummets lufttemperatur. Värmekomfort kan alltså säkerställas utan golvvärme.

Jämfört med lågtempererad radiatoruppvärmning, har golvvärme följande fördelar och nackdelar:

Fördelar:

– Lämpar sig särskilt väl för värmepumpar och solkraft, tack vare de lägre vattentemperaturerna (max. 35°C) och förmågan att lagra värme i golvet

– Inga problem med gardiner och möbler framför radiatorer – Inga problem med placering av radiatorer

Nackdelar:

– Stor tröghet i systemet – Hög kostnad vid ombyggnader eller reparationer av uppvärmningsytorna – Begränsningar gällande val av golvbeläggning och flexibel rumsindelning – Mattor på golvet minskar värmeavgivningen

Golvvärme eller lågtemperaturradiatorer?

För- och nackdelar med golvvärme




88


3.5.3 Takvärme Takvärme är det äldsta av ytvärmesystemen. Jämfört med golvvärme, måste yttemperaturen i taket vara relativt hög, eftersom värmen i princip uteslutande avges via strålning (80 %). I bostäder och kontorsbyggnader orsakade detta ”varma huvuden och kalla fötter”, vilket upplevdes som mycket obehagligt. Från det ursprungliga systemet (från början av 1900-talet) med stålrör ingjutna i betong, har följande varianter utvecklats (fig. 3-42)

– Rörtakvärme (a) med rör som är ingjutna i betong (Crittall-uppvärmning) eller i en bädd av bruk. Drifttemperaturer max. 55/40°C och stor tröghet.

– Lamelltakvärme (b), kan kombineras med luftkonditioneringssystem. Drifttemperaturer på 90/70°C och mindre tröghet.

– Undertaksvärme (c), kan kombineras med luftkonditioneringssystem. Drifttemperatur på 90/70°C och mindre tröghet.

– Strålningstakvärme (d), högtempererat värmevatten, över 100°C.

a) b)

c) d) Fig. 32 Fig. 3-42 De fyra grundtyper av takvärme a) Takvärmerör b) Lamelltakvärme c) Undertaksvärme d) Strålningstakvärme

Idag används strålningstakvärme praktiskt taget endast industriellt, t.ex. i lager, fabriker och hangarer.




89


3.6 Värmesystem med temperaturer över 100°C Värmesystem med drifttemperaturer över 100°C är inte konstruerade för normal uppvärmning av rum. De används dock för

– Distribution av fjärrvärme och områdesvärme – Uppvärmning av stora hallar – Processvärme för industrin

3.6.1 Hetvattenvärme När vatten utsätts för högt tryck, kan temperaturer på över 100°C nås utan att ånga bildas. Till hetvattensystem räknas alla system med en temperatur på ≥ 110°C. Den övre temperaturgränsen för komponenter med tryckklassningen PN 40 är 230°C. I praktiken överskrider temperaturen dock sällan 180°C.

Hetvattenuppvärmning används i första hand för strålningstakvärme i produktions-anläggningar. Fördelen med det här systemet är att nästan inget av luften värms upp så att den övre delen av lokalen inte blir överhettad.

Hetvattenuppvärmning skiljer sig åt från konventionell, vattenburen uppvärmning i det avseende att särskilda säkerhetskomponenter krävs, samt att specialarrangemang krävs för distributionssystemet.

Hetvattnet kan värmas på följande sätt

– Panna – Ångpanna – Hetvatten-/ångkonverterare – Kondensor hetvatten-/ångblandning

(returvatten värms genom blandning med ånga) – Elektrisk flödesvärmare – Elpanna med högspänningselektroder – Värmeväxlare för utnyttjande av spillvärme från gas- eller dieselmotorer

3.6.2 Ångvärme Ångvärmesystem är konstruerade för industrier där ånga behövs för att tillhandahålla processvärme. Om en industri har en ånggenererande anläggning med ett stort distributionsnät, används denna ånga även för värmeväxling till uppvärmningssystem samt till luftvärmarna och luftfuktarna i luftkonditioneringssystemet. Ånga, liksom högtempererat varmvatten, används också som ett värmeöverföringsmedium när värmen måste transporteras långa sträckor.




90


3.7 Termoaktiva byggsystem I dessa system används byggnadens inre värmelagringskapacitet för att lagra värme och kyla. Samtidigt används väggar och tak som uppvärmnings- och avkylningsytor. Därför dras rörledningar i byggnadens betongtak. Vatten cirkulerar i rören, som kan värmas upp eller kylas av efter behov, så att önskad taktemperatur erhålls. För att lagringskapaciteten ska kunna utnyttjas, får innertakets undersida inte ha någon inklädnad.

Fig. 3-43 Integrerade rörledningar för temperering av det exponerade innertaket mellan våningarna i en byggnad (Källa: Zent-Frenger)

Till skillnad från konventionella system för uppvärmning och avkylning, arbetar dessa system enbart med tempererat vatten, dvs. vattentemperaturen befinner sig normalt i intervallet 18°C (för avkylning) till 26°C (för uppvärmning). Ju bättre byggnadens värmeisolering är, desto jämnare temperatur kan man hålla i det termoaktiva betongtaket. I vissa byggnader går det till och med att ”flytta” överskottsvärme från en del av byggnaden till en annan.

Huvuddelen (cirka 60 %) av värmeväxlingen mellan det tempererade taket och rummet sker genom strålning.

Praktiska erfarenheter av byggnader med termoaktiva komponenter visar att de som använder byggnaden upplever den som behaglig och de är mycket nöjda. De måste dock informeras ordentligt om systemet och dess termiska respons (t.ex. den varierande temperaturen under dagens lopp) och det tar lite tid att vänja sig vid det. De exponerade taken kan utgöra ett problem i vissa rum, eftersom störande ekon kan uppstå om inte korrekta motåtgärder vidtas.

De moderata vattentemperaturer som nämnts tidigare gör det möjligt att på ett ekonomiskt sätt utnyttja alternativa metoder för återvinning av värme- och kylenergi.

Exempelvis kan (med hjälp av en värmepump) markvärme, grundvatten eller sjövatten användas som en värmekälla. I avkylningssyfte kan dessa källor utnyttjas direkt för kylning (frikyla).

I vissa byggnader kan den värme- eller kylenergi som finns i marken användas för temperering av vattnet, genom att rörledningar dras i fundamentpålar eller golvplattor (Fig. 3-44).

Betongtak för ackumulering av värme-/kylenergi och för strålningsuppvärmning/-avkylning

Tempererat vatten cirka 18-26 °C

I praktiken …

Användning av alternativa källor för uppvärmning och avkylning




91


Fig. 3-44 Fundamentpåle (vänster) och bottenplatta (höger) som utnyttjar markvärmen (Källa: Zent-Frenger)

Eldrivna värmepumpar och kylmaskiner är effektivare ju mindre temperaturdifferensen är mellan den kalla förångarsidan och den varma kondensorsidan. Eftersom överskottsvärme avges i marken sommartid sjunker elenergibehovet när värmepumpen används i uppvärmningsläge under vintern. På samma sätt utnyttjas marken till att lagra kyla under vintern för att minimera elenergibehovet för att driva kylmaskinen under sommaren.

På grund av de moderata vattentemperaturer som redan nämnts i system med termo-aktiva komponenter, kan denna potential utnyttjas till fullo. Om värmepumpen är korrekt dimensionerad kan en årlig energiverkningsgrad på 4,5 till 5 uppnås.

Uppvärmning sker med tilluft som passerar ett kanalsystem i s.k. hålbjälklag. Därefter tillförs luften rummet via tilluftsdon i taket. Energin i tilluften avges till bjälklagen. De kommer då att fungera som stora radiatorer, vars tak- och golvytor vintertid får en temperatur någon grad över rumsluften. Sommartid ligger ytornas temperatur någon grad under rumsluften.

Fig. 3-45 Tilluften passerar ett hålbjälklag (Källa: Strängbetong)

Värmepump/kylmaskin med changeover-funktion

Luftburna termoaktiva system




92


4 Kylteknik 4.1 Introduktion Behovet av kylning uppstod i samband med att man ville bevara livsmedel. Därför har människan sökt efter metoder för nedkylning sedan tidernas begynnelse. Ett sätt att kyla livsmedel och vätskor var att använda lerkärl och flaskor som lindades med fuktiga trasor. På så vis avleds värme genom förångning av vatten. De första kända idéerna om mekanisk kylning och därmed ”kylteknik” kommer från ett patent från 1834, där Jacob Perkins beskrev en kompressionsmaskin för kall ånga som använde etyleter i en sluten krets. Cirka 40 år senare, år 1876, blev Carl Linde först med att använda ammoniak som köldmedium i ett kompressionssystem med kall ånga med en kolvkompressor. De första kylskåpen för hemmabruk dök upp på marknaden år 1910. 1930 utvecklades köldmedierna R 11, R 12, R 13, R 22, R 113 och R 114. Principen för kylning är som exemplet med ett vanligt kylskåp. Funktion: Livsmedel placeras i kylskåpet, värme avges som transporteras ut (via baksidan på kylskåpet) och tas upp av den omgivande luften. Energin distribueras av ett medium (köldmediet) som förångas när det absorberar värme och kondenserar igen när det avger värme. Från värmeläran vet vi att värmen bara kan färdas från ett ämne med en högre temperatur till ett ämne med en lägre temperatur, och från vätskemekaniken känner vi till att en vätska strömmar från en högre nivå till en lägre nivå. Det går dock att få en vätska att strömma från en lägre nivå till en högre nivå med hjälp av en pump (kompressor). Kylmaskinen/värmepumpen drivs med samma princip vad gäller energidistributionen. Kyltekniken indelas i följande områden

• Storskalig kylning (industriell kylning) • Småskalig kylning (kommersiell kylning) • Kylskåp och frysar (kylning i hemmet)

Industriella kylsystem byggs för bryggerier, slakthus, kyllager, istillverkning och marin kylning. Efter första världskriget växte behovet av kylning kraftigt och kylsystem utvecklades för livsmedel, processindustrier och ventilationsteknik.

Mekanisk kylning

Energidistribution

Användningsområden för kylteknik




93


Tabellen nedan visar exempel på applikationer för kylteknik inom olika områden Livsmedelsteknik Tillverkning Bryggerier Trålare

Transport Fartyg Järnväg Väg Flyg

Lagring Fryslager Kyllager

Försäljning Visningsskåp Maskiner för dryckesförsäljning

Hushåll Kylskåp Frysar

Processteknik Kemisk industri Bortledning av reaktions- och lösningsvärme Kristallisering av salter Vätskebildning och separation av gaser

Raffinaderier

Kryoteknik (Låg temperatur) Produktion av ädelgaser Supraledarteknik

Byggteknik Schaktsänkning Avkylning av betong

Medicin Blodbanker Kryoanestesi

Vakuumteknik

Marina transporter Flytande gas

Sportarenor Isar

Ventilationsteknik Luftkonditionering Monteringsrum Teatrar, kontor, etc. Sjukhus Tryckerier Badhus Gruvor

Rymdindustrin Simulering av miljö Vindtunnel

Tillverkning Materialtestning Precisionsmätmiljö

Översikt: Applikationer för kylteknik

Inom livsmedelsindustrin är kylning den bästa och mest hälsosamma metoden för att bevara livsmedel under längre perioder och i olika klimatzoner, och därigenom garantera för hygienen i våra livsmedel.

Inom processtekniken kan kylningen användas för att medge snabbare och mer kostnadseffektiv produktion.

Inom luftkonditionering är lufttemperaturen en huvudfaktor för vår känsla av komfort på arbetsplatsen och inomhus i största allmänhet. Inom luftkonditioneringstekniken finns, vid sidan av den värme som behövs på vintern, även ett behov av kylenergi på sommaren för att kyla och avfukta luften.

Det finns två huvudsakliga kylmetoder: – Frikylning med vatten eller luft – Mekanisk kylning med en kylmaskin

Metoder för energi-/värmeåtervinning är också av intresse inom området för kylteknik.

Metoder för generering av kylenergi




94


4.2 Frikylning med vatten Grundvatten, vatten från sjöar eller floder, eller kranvatten i temperaturer från cirka 6-18 °C finns ofta i tillräckliga mängder nästan överallt och skulle räcka för att kyla inomhus- och uteluften vid temperaturer över 20°C. Från formeln (se avsnitt 2.2.6 Ämnenas entalpi) Q = m * c * Δt eller Q = m * Δh kan vi fastställa vilken vattenmängd som krävs för att sänka temperaturen hos en motsvarande luftmängd. Exempel på frikyla är evaporativ kylning och kylning med luftkylare.

Fig. 4-1 Evaporativ kylning (förångningskylning) och kylning med luftkylare 1 Kylvattenkälla, 2 Förångningskylsystem, 3 kylsystem med luftkylare

I ett evaporativkylsystem sprutas vatten direkt in i en kammare. Den varma luften som passerar genom kammaren får en del av vattnet att förångas. Den värme som krävs för att få vattnet att förångas hämtas från den omgivande luften. För att undvika att luftfuktigheten i tilluften ökar kan vatten sprutas in i frånluftskanalen före en värmeväxlare. På så vis kyls värmeväxlaren av och uteluften kyls via kylåtervinning. Sammanfattningsvis: – Luften kyls av och absorberar fukt – Kylvattnet förångas – Det förångade vattnet måste fyllas på Vatten flödar genom en luftkylare i en ventilationskanal. När luften strömmar över luftkylarens kalla yta, kyls den av och avfuktas eventuellt. Sammanfattningsvis: – Luften kyls av – Kylvattnet blir varmare och återgår till källan – Vatten måste fyllas på kontinuerligt Denna typ av vatten/vatten energiöverföring är väldigt vanlig inom värmepumptekniken. Energin från exempelvis grundvattnet avges till en värmekrets via kylkretsen. (Se avsnittet 4.3.4 ”Kylkretsen”).

Evaporativ kylning

Kylning med luftkylare




95


För- och nackdelar med frikylning Fördelar:

• Enkel systemkonstruktion • Vatten är alltid tillgängligt som en energikälla

Nackdelar:

• Fluktuerande vattentemperaturer (förutom sjö-, grund- eller brunnsvatten) • När kylning behövs (sommar), är vattentemperaturerna höga, dvs.

temperaturdifferensen Δt är liten (Q = m · C ·Δt) • System som bygger på förångningsprincipen (evaporativ kylning) använder

mycket vatten • System som bygger på luftkylare värmer upp vattnet

Förr användes kran- eller brunnsvatten ofta i dessa system. Av energiskäl och ekonomiska skäl rekommenderas dock inte denna metod och den används sällan idag. Användning av sjö- och grundvatten kräver tillstånd och numera används oftast mekanisk kylning för att generera och tillhandahålla den erforderliga kylenergin. Även kylmaskiner omfattas av myndighetsregler både vad gäller säkerhet och miljö.




96


4.3 Mekanisk kylning 4.3.1 Kylmaskinens funktion Kylmaskinen avlägsnar värme från ett medium som ska kylas (luft eller vatten) och avger den till ett annat medium (luft eller vatten). ”Köldmedier” används som värmeöverföringsmedium. Värmeöverföringen sker när köldmediet genomgår en fysisk tillståndsändring. En ”värmepump” använder den mekaniska kylprocessen för att avlägsna värme från ett medium och överföra det till ett annat. Anta att vi kyler en given vattenmängd genom att avlägsna värmen från den, så att vi kan använda den extraherade värmen till att höja temperaturen hos en annan, identisk vattenmängd. I praktiska uppvärmningstermer, skulle detta kunna innebära att en grundvattenmängd kyls från 5°C ned till 0°C för att driva ett golvvärmesystem med en framledningstemperatur på 35°C och en returtemperatur på 30°C. Kyltekniken blev mycket populär under 1970- och 1980-talet, tack vare den ökade användningen av värmepumpar till följd av energikrisen.

4.3.2 Fysiska tillståndsändringar En kylmaskin-/värmepumpkrets utnyttjar ett ämnes eller köldmediums förmåga att förändra sitt tillstånd och därigenom absorbera eller avge relativt stora värmemängder utan att temperaturen ändras. Möjliga tillstånd är fast form, flytande form eller gasform. Kretsen är möjlig eftersom tillståndsändringarna kan reverseras. Tillståndsändringarna och deras beteckningar visas i följande tabell:

Tillståndsändring: Beteckning: Från fast till flytande Smältning Från flytande till fast Fusion (för vatten: frysning) Från flytande till gas Förångning Från gas till flytande Kondensering Från fast till gas Sublimation Från gas till fast Desublimation

Eftersom vatten även används som ett köldmedium i vissa kylmaskiner, utnyttjar vi vattnets tillståndsändringar och de värmemängder som avges och absorberas i följande exempel. Vi utgår från 1 kg vatten vid normaltryck (atmosfäriskt tryck på 1,013 bar).

Värmepump

Exempel vatten/vatten värmepump

Vattnets tillståndsändringar




97


Vattnets temperatur- och tillståndsändring kan återges med ett diagram över temperatur/entalpi (Fig. 4.2). De entalpivärden som visas gäller för 1 kg vatten vid ett atmosfäriskt tryck på 1,013 bar.

115

100

-335 2257 419

28.3

0 419 2676 2704.3 h [kJ / kg]

t (°C)

0 10 A

B C D

Fig. 5 Fig. 4-2 Diagram över temperatur/entalpi A-B: Uppvärmning av vätskan (sensibel värme) B-C: Förångning (latent värme) C-D: Överhettning (sensibel värme)

Eftersom värmemängden beräknas av endast differensen i entalpi, kan entalpiskalans början definieras godtyckligt. I ångtabeller eller hx-diagram är den valda nollpunkten identisk med vattnets fryspunkt. Det betyder att entalpivärdena som visas inte inkluderar den latenta fusionsvärmen (smältning).

Den räta linjen A-B representerar den sensibla värme som krävs för att värma 1 kg vatten från 0°C till 100°C. På entalpiskalan vid punkt B kan vi se att det erfordrade värdet h för detta syfte är 419 kJ/kg.

Den räta linjen B-C återger förångningsprocessen. Värme tillförs kontinuerligt längs denna linje (med konstant temperatur) tills ett kilo vatten, vid punkt C, helt omvandlats till ett kilo mättad ånga. Entalpin hos denna torra mättade ånga uppgår till 2 676 kJ. Det är summan av 419 kJ av sensibel värme och 2 257 kJ av latent värme från förångning.

Om ytterligare 28,3 kJ tillförs till den torra mättade ångan mellan punkterna C och D, överhettas ångan till 115°C och entalpin vid punkt D är h = 2 676 + 28,3 = 2 704.3 kJ.

Kondenseringsprocessen kan beskrivas som ovanstående process fast i omvänd ordning (en identisk värmemängd avlägsnas längs den räta linjen från C till B).

Diagram över temperatur/entalpi




98


Det krävs en värmemängd på 335 kJ (Fig. 4-2) för att smälta 1 kg is vid 0°C, dvs. för att omvandla det till vatten vid 0°C. Denna tillståndsändring sker vid konstant temperatur. Den fusionsvärme (smältning) som därmed finns i vattnet kallas latent värme.

Fig. 4-3 Latent värme från fusion av is

I den omvända processen måste 335 kJ värme extraheras från 1 kg vatten vid 0°C för att det ska kunna omvandlas till 1 kg is vid 0°C.

En mängd sensibel värme motsvarande 419 kJ måste tillföras 1 kg vatten för att dess temperatur ska höjas från 0°C till 100°C. Vid normaltryck, atmosfäriskt tryck på 1,013 bar vid havsytan (uttrycktes tidigare som 760 mm Hg), är kokpunkten för vatten, dvs. den punkt där vattnet börjar förångas, 100°C. Diagram Fig. 4-4 visar att om vatten ska användas som köldmedium med en kokpunkt på cirka +5 °C krävs ett tryck på cirka 0,01 bar i förångaren (eller ett negativt tryck på cirka 0,99 bar i förhållande till normaltrycket i atmosfären). Log p är en logaritmisk skala för trycket.

100

10

1

0,1

0,01

0,001 -100 100 200 300 400 t (°C)

Log p (bar)

Fig. 6 0

Fig. 4-4 Vattnets kokpunkt som en funktion av lufttrycket

Smältning/frysning

Uppvärmning

1 kg

0 °C

335 kJ

0 °C




99


Omvandlingen av vatten till ånga är, som tidigare nämnts, en tillståndsändring som sker vid konstant temperatur. 2 257 kJ måste tillföras 1 kg vatten vid 100°C för att det ska omvandlas helt till ånga vid 100°C. Ångan innehåller sedan denna värmemängd som latent förångningsvärme. Om först 419 kJ av sensibel värme tillförs för att värma 1 kg vatten från 0 till 100°C, och sedan 2 257 kJ till latent förångningsvärme, ger detta värmeinnehåll, eller entalpi (h), 2 676 kJ för 1 kg torr mättad ånga vid 100°C (Fig. 4-5).

Fig. 4-5 Förångningsprocess och höjning av vattnets entalpi

Om ytterligare värme tillförs den torra mättade ångan vid 100°C stiger temperaturen och ångan ”överhettas” (Fig. 4-6). Den värme som används för överhettning är också sensibel värme. För att exempelvis höja temperaturen hos 1 kg ånga vid 100°C med 15 K, krävs kvantiteten Q av sensibel värme som uppgår till 28,3 kJ. Detta kan beräknas med följande formel:

Q = m · cp · (t - ts) = 1 · 1,88 · (115°C-100°C) = 28,3 kJ

m = Massa [kg] cp = Specifik värme hos den överhettade ångan [kJ/kg K] t = Temperatur hos den överhettade ångan [°C] ts = Vattnets koktemperatur [°C]

Fig. 4-6 Överhettad ånga och höjning av ångans entalpi

Förångning

Överhettning

2676 kJ

419 kJ

2257 kJ

100 °C 1 kg

100 °C

100 °C

1 kg

2676 kJ

2704,3 kJ

+ 28,3 kJ




100


Tillståndsändringen från vätska till gas är reversibel. Ångan kan med andra ord återgå till flytande form. Under den här processen kommer den latenta förångningsvärmen på 2 257 kJ/kg, att avlägsnas från ångan (Fig. 4-7). De nämnda tillståndsändringarna bygger på teoretiska, fullständigt förlustfria processer, vilka inte är möjliga i praktiken.

Fig. 4-7 Kondensering 1 Mättad ånga (1 kg), 100°C 2 Kallt kylvatten 3 Uppvärmt kylvatten (+2 257 kJ) 4 Kondensat (1 kg vatten), 100°C

När man konstruerar kylanläggningar eller värmepumpar används diagrammet över entalpi/tryck (h/logp-diagram) (Fig. 4-8) i större utsträckning än diagrammet över temperatur/entalpi. Av praktiska skäl används en logaritmisk skala för tryckaxeln. I det här diagrammet visas tillståndsändringarna inte vid standardtryck (1,013 bar). Istället kan de avläsas vid olika tryck och associerade temperaturer. Diagram över entalpi/tryck av den här typen är tillgängliga för alla vanligt förekommande köldmedier. Planerade cykler för värmepumpar/kylmaskiner kan ritas in i dessa diagram och entalpiförändringarna kan avläsas direkt från entalpiskalan.

221 374

100

6.98

1,013

0.01 0 419 2107.4 2676

2257

6

4

51

A B

3

2

h [kJ / kg]Fig. 7

t (°C) bar

Fig. 4-8 Diagram över entalpi/tryck för vatten (h/logp-diagram) 1 Gränslinje för vätska (förångningen inleds) 2 Underkylt område (vatten) 3 Kritisk punkt för vatten/ånga 4 Överhettat område (ånga) 5 Gränslinje för mättad ånga 6 Blandningsområde vätska/ånga (vatten/ånga) A-B Latent förångningsvärme vid p = 1,013 bar (2 257 kJ/kg)

Kondensering

Diagram över entalpi/tryck (h/logp-diagram)

4

3

2257 kJ

2

1Endast för utvärdering



101


Kurvan som stiger från origo (0,01 bar; 0 kJ/kg) till den kritiska punkten visar var vätskan börjar förångas. Kurvans förlängning, från den kritiska punkten till höger och ned till entalpiaxeln, visar var överhettningen av den mättade ångan börjar. Om en horisontell linje dras genom dessa två kurvor vid ett specifikt tryck (t.ex. 1 013 bar), kan entalpin hos den mättade vätskan läsas av vid punkt A och entalpin hos den mättade ångan vid punkt B. Differensen mellan värdena vid punkt A och B är den latenta förångningsvärmen.

Diagrammet visar att den latenta förångningsvärmen sjunker kontinuerligt när tryck och temperatur stiger, tills den kritiska punkten nås där det inte finns någon förångningsvärme alls och punkten där vätskan börjar förångas är identisk med punkten där ångan börjar överhettas. För vatten är det kritiska trycket 221,2 bar och den kritiska temperaturen 374,1 °C.

4.3.3 Köldmedier Mediet som cirkulerar i en kylmaskin-/värmepumpkrets kallas köldmedium. Hittills har enbart vattnets tillståndsändringar beaktats vid förklaringen av kretsens basprincip. Vatten har många av de egenskaper som krävs av ett köldmedium. Det är giftfritt, icke-brännbart och har en relativt stor kapacitet för latent förångningsvärme. Därför används vatten som köldmedium i kylmaskiner/värmepumpar som verkar med evaporativ kyla och absorptionskyla (kapitel 4.3.5 Absorptionskylning). I princip kan alla ämnen användas som köldmedier, under förutsättning att de kan förångas och kondenseras vid tryck som är tekniskt möjliga att uppnå och vid de önskade temperaturerna. Ett köldmedium kan bestå av olika kemiska sammansättningar, men det måste vara kemiskt stabilt och det får inte vara explosivt, brännbart eller giftigt. Valet av köld-medium beror på kylmaskinens användningsområde. När det gäller luftkonditionering är de vanligaste köldmedierna R134a och R407C, R404A och R507.

Mer information om luftkonditionering i avsnitt 6 ”Luftkonditioneringssystem”.

Krav på köldmediet




102


4.3.4 Kylkretsen Diagrammet Fig. 4-9 visar ett slutet rörsystem som utgör kylkretsen. Arbetsmediet, köldmediet, strömmar genom rören. Köldmediet transporterar värmen inom kylkretsen. Tryck- och temperaturuppgifterna i diagrammet gäller ungefärligen för köldmediet R134a. Det finns fyra punkter inom rörsystemet som medger en extern påverkan på köldmediet. De fyra komponenterna som verkar på köldmediet är:

• Förångare • Kompressor • Kondensor • Expansionsventil (strypventil)

ϑ = max +100°C p=15,5 bar

ϑ= max +60°C p=15,5 bar

ϑ =+2 °C p=3,3 bar

ϑ =+2 °C p=3,3 bar

ϑ = max +100°C p=15,5 bar

ϑ= max +60°C p=15,5 bar

=+2 °C p=3,3 bar

ϑ =+2 °C p=3,3 bar

Fig. 4-9 Kompressionsprocess

Nu följer en detaljerad genomgång av hur och varför köldmediet påverkas. I kompressionskretsen genomgår köldmediet som cirkulerar i en sluten krets de fyra tillståndsförändringar som beskrivs i det följande.

Tillståndsförändring Uteffekt från kondenseringsvärme gasform

gasform tillståndsförändring – tar upp förångningsvärme

i kom-pressorn

vätska

vätska I förångaren

i kondensorn

i expan-sions-ventilen




103


Förångning av köldmediet vid ett relativt lågt tryck och vid en låg temperatur. Den latenta förångningsvärmen från vattnet eller luften som passerar genom värmeväxlaren på primärsidan överförs till köldmediet på sekundärsidan. Här måste temperaturen hos vattnet eller luften vara högre än köldmediets förångningstemperatur. I diagrammet visas förångningsprocessen med den tillståndsändring som sker vid temperaturen 2°C och trycket 3,3 bar. Värme överförs från det varmare mediet på primärsidan till köldmediet på förångarens sekundärsida. Det får mediet på primärsidan att kylas av och köldmediet att förångas. Köldmediet innehåller nu värmen i form av latent värme. Köldmediets entalpi har ökat, men dess temperatur eller tryck har inte förändrats. Kompression av köldmediets ånga i kompressorn till ett högre tryck. Detta får temperaturen hos köldmedieångan att stiga till det överhettade området. Kompressorn suger in köldmedieångan från förångaren och komprimerar den från cirka 3,3 bar till ett tryck på cirka 15,5 bar. Samtidigt stiger temperaturen hos ångan till cirka 100°C, så att överhettad ånga bildas. Entalpiökningen motsvarar den mekaniska energi som krävs för att driva kompressorn. Kondensering av den ”varma” köldmedieångan. Här avger köldmedieångan på primärsidan i en värmeväxlare den tidigare absorberade latenta förångningsvärmen och överhettningsvärmen från kompressorn till vattnet eller luften som passerar genom värmeväxlaren på sekundärsidan. Temperaturen hos vattnet eller luften måste vara under köldmediets kondenseringstemperatur. Om värme fortsätter att överföras från köldmedieångan på primärsidan till vattnet eller luften på sekundärsidan, omvandlas köldmedieångan till vätska. Vid kondensorns utlopp har köldmediet vätskeform och är cirka 60°C. Trycket är oförändrat 15,5 bar. Sänkning av det kondenserade köldmediets tryck/temperatur. Det flytande köldmediets tryck/temperatur är fortfarande för hög för att det ska kunna återföras direkt till förångaren. En expansionsventil används, så att köldmediet kan återexpandera till förångningstrycket. Expansionsventilen sänker inte bara trycket utan tillhandahåller också rätt mängd köldmedium i förhållanden till den kapacitet som förångaren kräver. Beroende på kretsens utförande kan detta vara en expansionsventil som styrs manuellt, alternativt tryckregleras eller nivåregleras. I små kylenheter kan det vara ett enkelt kapillärrör.

Förångare

Kompressor

Kondensor

Expansionsventil




104


Användningsexempel i luftkonditioneringssystem. Både direkt och indirekt kylning används i luftkonditioneringssystem.

Fig. 4-10 Användningsexempel för kylning av ventilationsluft

a) Direktkylning (direktexpansion, DX-kyla) b) Indirekt kylning (vätskeburen kylning) 1 Kompressor 2 Förångare 3 Kondensor 4 Expansionsventil 5 Kylvattenpump 6 Luftkylare 7 Fläkt

Eftersom exakt samma funktioner och fysiska interaktioner gäller för värmepumpkretsen, kombineras båda processerna i schemat nedan.

15,5 bar

3,3 bar

+ 60 °C

+ 2 °C

Verdampfer

ϑ = + 5 °C ϑ = + 10 °C

+ 2 °C3,3 bar

15,5 barmax + 100 °C

12

15,5 bar

3,3 bar

+ 60 °C

+ 2 °C

Verdampfer

ϑ = + 5 °C ϑ = + 10 °C

+ 2 °C3,3 bar

15,5 barmax + 100 °C

12

Fig. 4-11 Exempel på funktionen hos ett vatten/vattenvärmepump

Från värmedistributören, t.ex. sjövatten

Motordriven, t.ex. • Elkraft • Gas • Olja

Uppvärmt tilloppsvatten till värmesystemet

Avkylt returvatten från värme-systemet

Åter till värme-distributören, t.ex. åter till sjön

Förångare

Kondensor

Kompressor Expansionsventil




105


4.3.5 Absorptionskylning Med absorption menas processer där vätskor eller fasta ämnen absorberar gaser, så att en fysisk bindning uppstår. Absorption sker dock enbart då absorbenten och gasen som ska absorberas har en kemisk affinitet (benägenhet att kemiskt reagera med varandra) och enbart vid ett givet tryck-/temperaturförhållande som varierar för varje kombination av verksamma ämnen. Absorptionsprocessen kan även vändas, dvs. den absorberade gasen kan drivas ut igen vid olika tryck-/temperaturförhållanden. Hela processen sker alltså i ett kretslopp. En absorptionskylmaskin har stora likheter med en vanlig kompressorkylmaskin, men till skillnad från en sådan drivs absorptionskylmaskinen alltså med värmeenergi, till exempel fjärrvärme. Båda typerna av kylmaskiner har en kondensor och en förångare, men istället för en kompressor har absorptionskylmaskinen en absorbator, en cirkulationspump och en generator. Kylning av vatten sker i förångaren, där vatten förångas vid en temperatur på cirka 3 grader. Att det är möjligt att koka vatten vid så låg temperatur beror på att det råder ett kraftigt undertryck, cirka 0,01 bar, i förångaren. Värmeenergin för förångningen tas från det vatten som ska kylas. Den vattenånga som bildas i förångaren förs vidare till absorbatorn, där ångan absorberas av en litiumbromidlösning. Litiumbromid har egenskapen att det suger upp vatten med en väldig kraft. Lösningen av litiumbromid och vatten pumpas kontinuerligt till generatorn. I generatorn värms litiumbromidlösningen upp, till exempel med hjälp av fjärrvärme, till en temperatur på cirka 30 grader. Vid det tryck som råder i generatorn, cirka 0,1 bar förångas vattnet i lösningen, och förs vidare till kondensorn. Litiumbromidlösningen, nu utan vatten, förs tillbaka till absorbatorn. I kondensorn kyls vattenångan så att den kondenserar, varefter vattnet leds tillbaka till förångaren, där det på nytt tar upp värme från kylvattnet och förångas. Det som driver processen i en absorptionskylmaskin är alltså värme. Dessutom behövs en mindre mängd el för att driva den pump som transporterar litiumbromidlösningen.

Fig. 4-12 Absorptionsprocess




106


1

2

3

56

4

Fig. 50 Fig. 4-13 Absorptionsprocessen med lösningskretsen som värmekondensor

1 Termokemisk krets 2 Kondensor 3 Expansionsventil 4 Förångare 5 Värmepumpkrets 6 Kylmaskinkrets

Om köldmediekretsen jämförs med kompressionskylmaskinen, kan följande fyra funktionskomponenter omedelbart identifieras: • Förångare (4) • Kompressor (1) • Kondensor (2) • Expansionsventil (3). Här förångas också ett köldmedium (t.ex. vatten) i förångaren vid lågt tryck och med extern värmeförsörjning. Ångan komprimeras till ett högre tryck och en högre temperatur och den kondenseras i kondensorn genom att förångningsvärme avges till ett externt köldmedium och expanderas till lågt tryck i expansionsventilen.

4.3.5.1 Kombination av verksamma ämnen De vanligaste kombinationerna av verksamma ämnen för absorptionskylmaskiner är

• Vatten och litiumbromid (LiBr) (med vatten som köldmedium) • Ammoniak (NH3) och vatten (med ammoniak som köldmedium) • Ammoniak och litiumnitrat (LiNO3) • Metylamin (CH3NH2) och vatten (H2O) • Metanol (CH3OH) och litiumbromid

där det första ämnet i varje par är köldmediet. Ammoniak är ett välbeprövat köld-medium som huvudsakligen används för förångningstemperaturer från 0°C till -60°C, men den vanligaste kombinationen av verksamma ämnen inom luftkonditionering är vatten och litiumbromid. Vatten kan dock enbart användas i samband med förångnings-temperaturer över 0°C, eftersom det fryser vid lägre temperaturer. En annan viktig skillnad mellan kretsen med ammoniak/vatten och vatten/LiBr är skillnaden i drifttryck mellan de båda systemen. Ammoniakabsorptionssystem drivs vid tryck mellan cirka 1,5 och 1,6 bar, medan drifttrycket i förångaren och absorbatorn ligger långt under det atmosfäriska trycket vid vatten/LiBr-system. Trycket i förångaren är i själva verket cirka 0,008 bar motsvarande en förångnings-temperatur på cirka 3°C och trycket i kondensorn är 0,1, vilket motsvarar en




107


kondenseringstemperatur på cirka 50°C. På grund av dessa låga tryck måste maskinen ha en mycket robust och solid konstruktion. Absorptionskylmaskinen drivs med två kretsar. Den ena kretsen är köldmediekretsen med kondensor, expansionsventil och förångare och den andra är köldmedier/absorbentlösningskretsen som, inom köldmediecykeln, fungerar som en kompressor.

4.3.5.2 Användning Användningsområdena för absorptionskylmaskinen täcker i princip hela området för kolv- och turbokompressoraggregat med en kylkapacitet från cirka 30 kW till över 5 000 kW.

Valet mellan kompressions- eller absorptionskylmaskin beror i stor utsträckning på den energi som finns tillgänglig för drift av kylmaskinen. Exempelvis kan ett fjärrvärmeverks panna, som annars enbart kan utnyttjas fullt under vintern, utnyttjas under sommaren genom att koppla den till en absorptionskylmaskin för kylning.

Det är idealiskt att använda en absorptionskylmaskin när avgasånga från en produktionsprocess eller en turbinmotor med mottryck finns tillgänglig. Ett annat praktiskt användningsområde är i kombination med en turbokylmaskin. Turbokompressorn drivs i det här fallet med en turbin med mottryck. Ångan med lågt tryck från turbinen med mottryck värmer sedan absorptionsmaskinens generator och därefter återgår den till ångpannan i kondensatform.

De stora fördelarna med absorptionskylmaskinen är dess vibrationsfria och i princip tysta gång, samt dess möjlighet till enkel kapacitetsstyrning från 0 till 100 %.

Nackdelarna är den relativt låga verkningsgraden, den höga kondensorkapaciteten och därmed den höga förbrukningen av kylvatten. Ofta kan de här nackdelarna balanseras genom att utnyttja spillvärme.




108


5 Hydraulik i byggnader 5.1 Introduktion System för uppvärmning, ventilation och luftkonditionering (HVAC) används för att skapa en behaglig inomhusmiljö för människor. För att detta ska vara möjligt i vår klimatzon måste värme- och kylenergi genereras, styras/regleras och transporteras till rätt plats vid rätt tid.

Hydrauliksystem är konstruerade för att sammankoppla värme-/kylkällan med förbrukaren samt att skapa optimala driftförhållanden för

• värme-/kylkällan (temperatur, vattenflöde)

• bäraren av värme-/kylenergin, t.ex. vatten eller ånga (temperatur, vattenflöde)

• styr- och reglerutrustningen (noggrannhet och stabilitet)

Det här avsnittet innehåller delar av vår självstudiekurs på CD ”Hydraulics in building systems” (finns på engelska, tyska och franska).

De flesta illustrationer har hämtats från självstudiekursen, där många av dem är animerade och interaktiva, så att du på egen hand kan undersöka hur hydraulikkretsar och komponenter beter sig vid olika driftförhållanden.

Om du är intresserad av självstudie-CD:n ” Hydraulics in building systems”, kontakta ditt Siemenskontor.

Självstudiekurs på CD




109


5.2 Hydrauliska system 5.2.1 Huvudkomponenter i ett hydrauliskt system

Fig. 5-1 Huvudkomponenter i ett hydrauliskt system

Ventil stängd Ventil öppen

Fig. 5-2 Cirkulation i systemet

Ventil öppen

Injusteringsventil Värmepanna (värmeproduktion)

Ställdon

3-vägsventil

Regulator (med givare)

Radiator(värmeavgivning)

Cirkulationspump

Returledning

Framledning




110


5.2.2 Olika hydrauliska kretsar De bilder som hittills visats över hydrauliska kretsar är enkla att förstå. De används dock inte i teknisk dokumentation.

I teknisk dokumentation används framför allt flödesschemor för att beskriva värme-, kyl- och ventilationssystem. Förutom att de illustrerar systemet, underlättar de förståelsen av tekniska processer och samband.

Illustrerad bild över ett system Flödeschema över systemet

Fig. 5-3 Från den illustrerade bilden till ett flödesschema

Ofta används schemat som visas ovan för enkla system. Det kallas ”flödesschema” och är nära kopplat till den faktiska utformningen av installationen.

Flödesschemat kan vara svårt att tolka vid större installationer. Det gäller framför allt när sambanden mellan förbrukare och värme-/kylkällor blir komplexa, exempelvis ett system med grundvattenvärmepump med beredare och extra värmepanna samt flera värmeförbrukare.

Fig. 5-4 Exempel på ett flödesschema som visar ett värmesystem med flera förbrukare

Flödesschema

Injusteringsventil

Värmekälla

Värmeförbrukare

Cirkulationspump

Returledning

Framledning




111


Med översiktsschemat kan mycket komplexa och stora hydrauliska installationer återges på ett tydligt strukturerat och lättförståeligt sätt.

Ett antal viktiga regler måste följas när det gäller översiktsschemor

• Framledningen visas överst, returledningen längst ned. • Värme-/kylkälla och förbrukare visas parallellt i flödesriktningen mellan framledning

och returledning.

Flödesschema Översiktsschema

Fig. 5-5 Flödesschema och översiktsschema för ett enkelt system

I flödesschemor över hydrauliska kretsar är det också viktigt att rätt symboler används. I denna dokumentation används symboler enligt internationell/europeisk standard.

VILL DU VETA MER? Symboler enligt Svensk Standard beskrivs i kompendiet ”Symbol- och språkbruk SI-enheter”, utgivet av Siemens AB BT Utbildning Fig. 5-6 innehåller en 3-vägsventil.

De två trianglarna som representerar portar med varierande flöde är fyllda och triangeln som representerar porten med konstant flöde är tom.

Fig. 5-6 Schemasymbol för 3-vägsventil Fyllda trianglar = varierande flöde Tom triangel = konstant flöde

Översiktsschema

Standardsymboler

Framledning

Förbrukare

Returledning

Flödesriktning

Källa




112


I många flödesschemor i denna dokumentation visas styrventiler utan ställdon för att underlätta förståelsen av den hydrauliska kretsen. I normala fall ritas styrventilen med ställdon.

Exempel på flödesscheman och översiktsscheman

Flödesscheman Översiktsscheman

Fig. 5-7 Exempel på styrventiler ritade utan ställdon




113


5.3 Fördelare I normalfallet försörjer en värme- eller kylkälla flera förbrukare.

Fördelaren utgör anslutningen mellan källan och förbrukarna. Den distribuerar flödet till de olika förbrukarna och samlar in returvattnet från dem.

Fig. 5-8 Fördelaren utgör anslutningen mellan källan och förbrukarna

Både förbrukaren och värme-/kylkällan ställer vissa krav på fördelaren, t.ex. tryckförhållanden, konstant eller variabelt flöde, framlednings- och returtemperaturer.

För att uppfylla dessa krav finns olika typer av fördelare.

5.3.1 De olika typerna av fördelare Fördelarna kan delas in i följande kategorier:

Fördelare Huvudpump Tryckför-hållanden i fördelaren

Flöde genom källan

Temperatur-differens i källkretsen

Typ 1 (Kap. 5.3.1.1) Nej Variabelt Stort ΔT

Typ 2 (Kap 5.1.3.2) Ja Med tryck Variabelt Stort ΔT

Typ 3 (Kap. 5.3.1.3) Ja Med tryck Konstant Litet ΔT

Typ 4 (Kap. 5.3.1.4) Ja Trycklös Konstant Litet ΔT

Fig. 5-9 Olika typer av fördelare

Det går inte att diskutera fördelaren separat. Det är viktigt att använda den typ av förbrukarkrets som lämpar sig för installerad fördelartyp. Man måste också säkerställa att förbrukarkretsar med samma (eller liknande) beteende används på samma fördelare.




114


5.3.1.1 Typ 1, utan huvudpump, förbrukare med blandningskretsar

Ventiler helt stängda Ventiler helt öppna

Fig. 5-10 Fördelartyp 1 (streckad linje = flöde i kretsen)

Egenskaper

• Stor temperaturdifferens i källkretsen vid små laster

• Varierande flöde genom källan, konstant flöde i förbrukarna

• Förbrukarna har stor inverkan på varandra (större ändringar i en förbrukare leder till tryckändringar i fördelaren, vilket i sin tur påverkar de andra förbrukarna)

• Risk för felaktig cirkulation

• Förbrukarpumparna måste kompensera för tryckfallet i både förbrukarkretsen och källkretsen

Viktiga faktorer för problemfri drift

• Källor som kräver ett minimiflöde ska inte användas

• Maximalt tryckfall i källkretsen < 20 % av pumpens maximala drivtryck (kräver korta och något överdimensionerade rör)

• Förbrukarnas styrventiler måste vara korrekt dimensionerade

• Temperaturdifferensen mellan fram- och returledning i förbrukarna måste upprätthållas (korrekt injusterade flöden)

Användningsområde

• Värmekällor som kräver låga returtemperaturer (t.ex. kondenserande pannor)

• Beredare




115


5.3.1.2 Typ 2, med huvudpump, förbrukare med 2-vägsventiler i

variabelflödes- eller injektionskretsar


Fig. 5-11 Fördelartyp 2, variabelflödeskrets till vänster och injektionskrets till höger i båda exemplen

(streckad linje = flöde i kretsen)

Egenskaper


• Varierande flöde genom källan



• Huvudpumpen måste vara varvtalsstyrd (förbättrar funktionen, minskar energianvändningen)

• Huvudpumpen måste vara avstängd när det inte finns någon last för att förhindra skador

Användningsområde

• Laddning i tappvarmvattenkrets

• Fjärrvärmeförsörjda system

Δp Δp




116


5.3.1.3 Typ 3, med huvudpump, förbrukare med 3-vägsventiler i fördelnings-

eller injektionskretsar


Fig. 5-12 Fördelartyp 3, fördelningskrets till vänster och injektionskrets till höger i båda exemplen

(streckad linje = flöde i kretsen)

Egenskaper

• Liten till medelstor temperaturdifferens i källkretsen • Konstant flöde genom källan • Huvudpumpen måste kompensera för tryckfall i både källkretsen och tryckfall i

förbrukarkretsarna • Svårt att uppnå hydraulisk balansering (förbrukarkretsarna påverkar varandra) • Vid om- och utbyggnad krävs en ny hydraulisk balansering Viktiga faktorer för problemfri drift


• När injektionskretsar används måste sträckan A vara minst 10 gånger rördiametern, alternativt måste värme-/kylspärr installeras, annars finns det risk för dubbelcirkulation.

Användningsområde

• Värmekällor med minimibegränsning av returtemperatur

• Kylsystem

A Endast för utvärdering



117


5.3.1.4 Typ 4, med huvudpump, trycklös huvudfördelning i

variabelflödes- och blandningskretsar


Fig. 5-13 Fördelningsstyp 4 variableflödeskrets till vänster och blandningskrets till höger i båda exemplen (streckad linje = flöde i kretsen)

Egenskaper • Liten till medelstor temperaturdifferens i källkretsen

• Konstant flöde genom källan

• Tydlig hydraulisk avgränsning mellan källkrets och förbrukarkretsar


• Fördelare och, framför allt, bypass ska vara något överdimensionerad

• Förbrukare med (konstant) behov året om bör anslutas i början av fördelaren, för att förhindra onödigt vattenflöde genom fördelaren.

• Fungerar även med variabelflödeskretsar under förutsättning att deras uteffekt är låg jämfört med fördelarens totala uteffekt

Användningsområde

• Värmekällor som kräver höga returtemperaturer

• Stora kylsystem




118


5.3.1.5 Flödesschemor över fördelare Liksom hos förbrukarkretsarna, görs åtskillnad mellan två typer av schema, översiktsschemat och det geografiska schemat.

Översiktsschema

• Framledning överst • Returledning längst ned • Källor och de enskilda förbrukarna är parallellanslutna i flödesriktningen

Fig. 5-14 Översiktsschema av fördelare

Flödesschema

Från källan ansluts framledning och returledning till fördelaren. De enskilda förbrukarkretsarna visas sida vid sida.

Fig. 5-15 Flödesschema över fördelare




119


5.4 Hydrauliska kretsar 5.4.1 Kretsar med variabelflöde och konstantflöde Uteffekten från en värme-/kylkälla eller en förbrukare (mängden värme- eller kylenergi) är proportionell mot produkten av volymflödet (V& ), temperaturdifferensen ( TΔ ) i värme-/kylkällan eller förbrukaren samt specifika värmekapaciteten ( c ), densiteten (ρ).

ρ⋅⋅Δ⋅= cTVQ && I denna dokumentation betraktar vi värmekapaciteten ” c ” och densiteten ”ρ” som konstanta. Uteffekten från en värme-/kylkälla eller förbrukare blir då proportionell mot produkten av volymflödet och temperaturdifferensen:

TVQ Δ⋅≈ &&

Det innebär att följande funktioner kan användas för att justera uteffekten i hydrauliska kretsar: Volymflödet ändras medan temperaturen ligger kvar på en konstant nivå

Temperaturen ändras medan volymflödet ligger kvar på en konstant nivå

⇒ Drift med variabelflöde ⇒ Styrning av flödet

⇒ Drift med konstantflöde ⇒ Styrning av blandningsförhållandet




120


5.4.2 Styrning av flöde och temperatur Både vid styrning av flöde (varierande volymflöde) och styrning av temperatur (konstant volymflöde) används två olika grundläggande hydrauliska kretsar. Vid styrning av flödet (varierande volymflöde) i förbrukaren används följande hydrauliska kretsar: • Variabelflödeskrets • Fördelningskrets

Variabelflödeskrets Fördelningskrets

Fig. 5-16 Styrning av flöde i förbrukarkrets

I båda de hydrauliska kretsarna styrs uteffekten genom att flödet genom förbrukaren varieras. Vid styrning av temperaturen (konstant volymflöde) i förbrukaren används följande hydrauliska kretsar: • Blandningskrets • Injektionskrets (med tre- eller tvåvägsventil)

Blandningskrets Injektionskrets (med trevägsventil)

Fig. 5-17 Styrning av blandning i förbrukarkretsen

I båda de hydrauliska kretsarna styrs uteffekten genom att olika medietemperaturer levereras till förbrukaren.

Styrning av flöde

Styrning av temperatur




121


5.4.3 Variabelflödeskrets När styrventilen ändrar läge förändras volymflödet både i källan och i förbrukaren. På grund av detta varierar tryckförhållandena kraftigt inom systemet.

Ventil helt stängd Ventil helt öppen

Fig. 5-18 Variabelflödeskrets


• Varierande volymflöde i hela systemet

• Vid uppstart når önskad medietemperatur förbrukaren efter en viss fördröjning (dödtid, beroende på rörledningens längd och avkylningseffekten)

• När ventilen är helt stängd, kan pumpen överhettas (använd varvtalsstyrd pump, med stopp vid stängd ventil)

• Luftvärmare utan risk för frysning

• Luftkylare med avfuktning


• Fjärrvärmeanslutna system

• Laddning av beredare

• System med kondenserande pannor


Fig. 5-19 Flödesschema över variabelflödeskrets

Funktionsprincip

Egenskaper

Användningsområde

Flödesschema




122


5.4.4 Fördelningskrets Beroende på ventilens läge, transporteras en viss del av vattnet från källan till förbrukaren och resten går tillbaka till källan. Effekten till förbrukaren styrs via flöde. När flödet minskar ökar temperaturfallet över förbrukaren. När ventilen är helt stängd är returtemperaturen till källan nästan samma som framledningstemperaturen.

Ventil helt stängd Ventil helt öppen)

Fig. 5-20 Fördelningskrets

• Varierande volymflöde i förbrukarkretsen • Konstant volymflöde och tryckfall i källkretsen

(fördelaktigt i system med flera förbrukare) • Liten till medelstor temperaturdifferens i källkretsen

• Vid uppstart når önskad medietemperatur förbrukaren efter en kort fördröjning (under förutsättning att styrventilen är nära av förbrukaren)

• Luftkylare med avfuktning

• Luftvärmare utan risk för frysning

• System för västskeburen värmeåtervinning

• Beredning av tappvarmvatten

Olämpligt för fjärrvärmeanslutna system (höga returtemperaturer)


Fig. 5-21 Flödesschema över fördelningskrets

Funktionsprincip

Egenskaper

Användningsområde

Flödesschema




123


5.4.5 Blandningskrets En 3-vägsventil delar av den hydrauliska kretsen i en primärkrets (källkrets) och en sekundärkrets (förbrukarkrets). Vattnet från källan och returvattnet från förbrukaren blandas för att erhålla den temperatur som önskas i förbrukaren. Temperaturen till förbrukaren styrs efter behovet.


Fig. 5-22 Blandningskrets


• Varierande flöde i källkretsen

• Konstant flöde med varierande temperaturer i förbrukarkretsen

• Jämn temperaturfördelning över förbrukaren

• Liten frysrisk med luftvärmare

Ju kortare avstånd mellan bypass och förbrukare desto bättre. Stora avstånd ger lång transporttid (dödtid), vilket gör regleringen mycket svårare.

• Radiatorsystem

• Luftvärmare med frysrisk

• System med lågtempererade värmekällor eller värmepumpar


Fig. 5-23 Flödesschema över blandningskrets

Funktionsprincip

Egenskaper

Användningsområde

Flödesschema




124


5.4.5.1 Blandningskrets med returinblandning

En 3-vägsventil delar av den hydrauliska kretsen i en primärkrets och en sekundärkrets. Returinblandning säkerställer att en viss andel returvatten alltid blandas in i framledningen. Därigenom säkerställer man att 3-vägsventilen är effektiv över hela arbetsområdet (från helt stängd till helt öppen position) samt att framledningstemperaturen max- (värme) eller minbegränsas (kyla) tack vare returinblandningen.

Ventil helt stängd

Fig. 5-24 Blandningskrets med returinblandning

Ventil helt öppen

• Stor temperaturdifferens i källkretsen vid små laster • Varierande flöde i källkretsen • Konstant flöde med varierande temperaturer i förbrukarkretsen Ju kortare avstånd mellan bypass och förbrukare desto bättre. Stora avstånd ger lång transporttid (dödtid), vilket gör regleringen mycket svårare. • Förbrukarkretsar där framledningstemperaturen ska vara lägre än temperaturen i

värmekällkretsen. • Förbrukarkretsar där framledningstemperaturen ska vara högre än temperaturen i

kylkällkretsen. • Golvvärmesystem. • Kylsystem där ingen kondensering får ske.


Fig. 5-25 Flödesschema över blandningskrets med returinblandning

Egenskaper

Användningsområde

Flödesschema




125


5.4.6 Injektionskrets

5.4.6.1 Injektionskrets med 3-vägsventil Pumpen till vänster kompenserar för tryckfallet i primärkretsen, inklusive styrventilen, medan pumpen till höger kompenserar för tryckfallet i sekundärkretsen. Pumpen i primärkretsen injicerar mer eller mindre primärvatten i sekundärkretsen, beroende på 3-vägsventilens position. Vattnet från primärkretsen blandas med returvattnet från förbrukaren som sekundärpumpen suger in via bypassledningen. Flödet i förbrukarkretsen är konstant med varierande temperaturer.


Fig. 5-26 Injektionskrets med 3-vägsventil

• Konstant flöde i både källkrets och förbrukarkrets

• Liten till medelstor temperaturdifferens i källkretsen

• Jämn temperaturfördelning över förbrukaren


• Radiator- och golvvärmesystem


• Luftkylare utan reglerad avfuktning


Olämpligt för fjärrvärmeanslutna system (höga returtemperaturer)


Fig. 5-27 Flödesschema över injektionskrets med 3-vägsventil

Funktionsprincip

Egenskaper

Användningsområde

Flödesschema




126


5.4.6.2 Injektionskrets med 2-vägsventil Pumpen till vänster kompenserar för tryckfallet i primärkretsen, inklusive styrventilen, medan pumpen till höger kompenserar för tryckfallet i sekundärkretsen. Pumpen i primärkretsen injicerar in mer eller mindre primärvatten i sekundärkretsen, beroende på 2-vägsventilens position. Konstant flöde med varierande temperaturer i förbrukarkretsen. I primärkretsen varierar flödet och tryckfallet däremot kraftigt, varför primärpumpen måste vara varvtalsstyrd.


Fig. 5-28 Injektionskrets med 2-vägsventil


• Jämn temperaturfördelning över värmeförbrukaren


• När ventilen är helt stängd, kan primärpumpen överhettas (använd varvtalsstyrd pump, med stopp vid stängd ventil)

• Fjärrvärmeanslutna system

• System med lågtempererade pannor (kondenserande pannor)

• Radiator- och golvvärmesystem


• Luftkylare utan reglerad avfuktning


• Varmvattenberedare och värmepumpar


Fig. 5-29 Flödesschema över injektionskrets med 2-vägsventil

Funktionsprincip

Egenskaper

Användningsområde

Flödesschema




127


5.5 kv-värde kv-värdet är lika med volymflödet i m3/h genom en komponent eller ett system vid ett tryckfall på 1 bar (100 kPa)

En styrventils kv-värde beror på lyfthöjden H.

Tillverkarna av styrventiler anger denna konstruktionsberoende storhet till kvs.

kvs-värdet är flödet då styrventilen är nominellt öppen (H = 100 %)

Om kv/kvs visas som en funktion av lyfthöjdsintervallet H/H100, erhålls ventilkarakteristiken (Fig. 5-30).

• kv-värden i förhållande till kvs-värdet kv/kvs = 0 … 1

• Lyfthöjd H i förhållande till den nominella lyfthöjden H100: H/H100 = 0 … 1

Fig. 5-30 Typisk ventilkarakteristik




128


5.6 Ventilkarakteristik

Förutom temperatur och tryck är följande parametrar är viktiga för fastställandet av lämplig styrventil

• Det erfordrade flödet

• Tryckfallet i sträckan med varierande flöde (dimensionerande tryckfall)

• Önskad ventilkarakteristik

Man skiljer mellan:

• grundkarakteristik karakteristikens grundläggande form som bestäms teoretiskt

• flödeskarakteristik flödet under standardförhållanden (1 bar, 25°C), som fastställs vid varje ventilposition

De vanligaste grundkarakteristikerna beskrivs kortfattat nedan

Samma lyfthöjdsändring producerar samma förändring av kv-värdet (Fig. 5-31 vänster).

Samma förändring av lyfthöjd ger samma procentuella förändring av det relevanta kv-värdet, dvs. ju större lyfthöjd (ju öppnare ventilen är), desto större är effekten av lyfthöjdsändringen på flödet. I det nedre lyfthöjdsintervallet är karakteristiken flack. I det övre lyfthöjdsintervallet blir den brantare och brantare (Fig. 5-31 mitten).

Karakteristiken är linjär i det undre lyfthöjdintervallet och logaritmisk från cirka 30 % av lyfthöjden (Fig. 5-31 höger).

Ventilkäglans utförande fastställer ventilens grundkarakteristik.

Linjär grundkarakteristik Logaritmisk grundkarakteristik Linjär/logaritmisk grundkarakteristik

Fig. 5-31 Olika ventilkarakteristika

Linjär karakteristik

Logaritmisk karakteristik

Linjär/logaritmisk karakteristik




129


5.7 Systemets karakteristik När en ventil monteras i ett system, ska ventilkarakteristiken kompensera för värmeväxlarens karakteristik. Ventilens karakteristik och värmeväxlarens karakteristik resulterar i systemets karakteristik.

Fig. 5-32 Systemets karakteristik som resultatet av värmeväxlarens karakteristik och en ventil med linjär grundkarakteristik

Värmeväxlarens karakteristik

Styrventil med linjär grundkarakteristik Systemets karakteristik




130


Fig. 5-33 Systemets karakteristik som resultat av värmeväxlarens karakteristik och en ventil med logaritmisk grundkarakteristik

Exemplen ovan visar att val av lämplig ventilkarakteristik förbättrar systemets karakteristik (Fig. 5-33), men inte tillräckligt för att erhålla en helt linjär karakteristik.

Vill du veta mer? Ventildata, ventilkarakteristik och dimensionering av styrventiler beskrivs i kompendiet ”Styrventiler & hydrauliska nät” utgivet av Siemens AB BT, Utbildning

Värmeväxlarens karakteristik

Styrventil med logaritmisk grundkarakteristik Systemets karakteristik




131


6 Luftkonditioneringssystem 6.1 Termdefinitioner (enligt DIN 1946) System utan termodynamiska funktioner eller med endast en sådan funktion (t.ex. uppvärmning).

System som används för att hålla rummets lufttemperatur eller luftfuktighet på önskad nivå (genom uppvärmning/kylning eller fuktning/avfuktning), oavsett belastning. Ett system som exempelvis kan hålla temperaturen vid ett önskat värde genom uppvärmning eller avkylning och som även kan fukta luften (men inte avfukta den), skulle, per definition, kallas för ett partiellt luftkonditioneringssystem.

System som används för att hålla både rummets lufttemperatur och rummets luftfuktighet på önskad nivå (genom uppvärmning/kylning och fuktning/avfuktning), oavsett belastning.

Egentligen låghastighetssystem. Detta är system där luften flödar genom kanalerna långsammare än 10 m/s. De flesta av dessa system är industriinstallationer med stora luftvolymer och relativt korta avstånd att täcka. Tilluftsdon kan monteras direkt i kanalerna.

Egentligen höghastighetssystem. Detta är system där luften flödar genom kanalerna snabbare än 10 m/s. De flesta av dessa är komfortsystem med mindre luftvolymer och relativt långa avstånd att täcka. Tilluftsdon kan inte monteras direkt i kanalerna eftersom lufthastigheten först måste reduceras (genom expansion) från högt till lågt tryck.

Luft som tillförs från atmosfären.

Luft som strömmar från systemet till rummet.

Luft i ett ventilerat eller luftkonditionerat rum.

Luft som avlägsnas från rummet.

Frånluft som återförs till systemet.

Frånluft som transporteras bort och släpps ut utomhus.

Ventilationssystem

Partiellt luftkondi-tioneringssystem

Fullständigt luftkondi-tioneringssystem

Lågtryckssystem

Högtryckssystem

Uteluft Tilluft Rumsluft Frånluft Återluft Avluft




132


6.2 Ventilationsaggregat I det här avsnittet beskrivs huvudkomponenterna i ett ventilationsaggregat. Här ges endast en kort översikt utan detaljerad information om t.ex. dimensionering.

Vill du veta mer? Specifika funktioner för styrning och reglering av luftkonditioneringssystem beskrivs i kompendiet ”Styr & reglerfunktioner i luftkonditioneringssystem” utgivet av Siemens AB BT, Utbildning.

1 Ytterväggsgaller 2 Blandningsspjäll 3 Luftfilter 4 Luftvärmare 5 Luftkylare 6 Luftfuktare 7 Tilluftsfläkt

Fig. 6-1 Flödesschema över ett ventilationsaggregat med typiska komponenter

6.2.1 Ytterväggsgaller Ytterväggsgaller för uteluft och avluft skyddar luftkanalerna mot regn och smådjur (t.ex. möss och fåglar). De har ofta en design som smälter in i byggnadens fasad. På vissa platser eller i vissa situationer måste ytterväggsgallren värmas, eftersom de annars kan frysa igen relativt snabbt.

Fig. 6-2 Ytterväggsgaller

6.2.2 Spjäll Beroende på spjällens funktion skiljer man mellan • Avstängningsspjäll • Strypspjäll Avstängningsspjäll drivs av ett ställdon och de stänger av kanalen när systemet är avstängt eller vid underhåll, reparationer och vid larm eller fel. Beroende på behovet kan de konstrueras i lufttäta eller gastäta utföranden.

Omfattning

Funktion

1

2 3 4 5 4 6 7




133


Strypspjäll används för att strypa eller blanda luftflöden. För strypspjäll är det viktigt att tänka på att strypningen endast är effektiv när motståndet hos det öppna spjället utgör en viss andel av det totala motståndet i kanalerna.

Spjäll kan vara cirkelformade eller rektangulära. I runda kanaler består vanliga strypspjäll av irisspjäll och avstängningsspjäll av ett cirkelformat spjällblad på en roterande axel som kan vara rund eller fyrkantig.

B17-1

Fig. 6-3 Irisspjäll och vridspjäll i en rund kanal

Rektangulära spjäll (eller ”jalusispjäll”) konstrueras vanligtvis med flera blad som kan öppnas och stängas motroterande eller synkroniserat (fig. 6-4). Båda typerna kan användas som strypspjäll.

Fig. 6-4 Jalusispjäll, motroterande till vänster, synkroniserade till höger

6.2.3 Luftfilter Luftfilter används i ventilationssystem för att fånga upp (absorbera) och kvarhålla (adsorbera) orenheter och föroreningar i form av partiklar och gas i luften.

Normal obehandlad luft innehåller föroreningar i koncentrationer mellan 0,05 och 3,0 mg/m3. Inom industrin kan luftfilter användas för koncentrationer upp till cirka 20 mg/m3.

Fig. 6-5 Vanliga filter för ventilationssystem

Spjälltyper

Funktion




134


6.2.3.1 Klassificering av filter Utifrån de testmetoder som beskrivs i EN 779 och EN 1822, indelas luftfilter i följande huvudkategorier • Grovfilter, filterklasser G 1 - G 4 • Finfilter, filterklasser F 5 - F 9 • Hepafilter, filterklasser H 10 - H 14 • Ulpafilter, filterklasser U 15 - U 17 Till följd av de allt strängare kraven som ställs på rena rum, har antalet filterklasser för aerosoler utökats (H10-U17) för att uppfylla även de strängaste specifikationerna.

Filtrets kvarhållningsförmåga och effektivitet beror nästan uteslutande på filtermediet, medan dammlagringsförmågan beror både på filtermediet och på filtrets area.

Filterklasserna H10 till H14 kallas HEPA-filter (High Efficiency Particulate Air-filter). Filterklasserna U15 till U17 kallas ULPA-filter (Ultra Low Penetration Air-filter).

Filterklass Kvarhållnings-

förmåga % Genom-

tränglighet%

Tidigare klassificering

Beskrivning

G 1 < 65 EU 1/A

G 2 65 … 80 EU 2/B1 Grovfilter

G 3 80 … 90 EU 3/B2

G 4 > 90 EU 4/B2

F 5 – EU 5

F 6 – EU 6 Finfilter

F 7 – EU 7

F 8 – EU 8

F 9 – EU 9

H 10 85 15 Q

H 11 95 5 R

H 12 99,5 0,5 S

H 13 99,95 0,05 S Aerosolfilter

H 14 99,995 0,005 ST

U 15 99,9995 0,0005 T

U 16 99,99995 0,00005 U

U 17 99,999995 0,000005 V

Fig. 6-6 Klassificering av luftfilter

HEPA- och ULPA-filter




135


6.2.3.2 Tryckfall över luftfiltret De normala tryckfallen för nya luftfilter ser ut som följer:

– Grova dammfilter i intervallet 30-50 Pa – Fina dammfilter i intervallet 50-150 Pa – Aerosolfilter i intervallet 100-250 Pa Filtren utsätts normalt för luft som strömmar med en hastighet på 2-3 m/s (i förhållande till filtrets projicerade yta)

De rekommenderade sluttryckfallen är följande:

– Grova dammfilter i intervallet 200-300 Pa – Fina dammfilter i intervallet 300-500 Pa – Aerosolfilter i intervallet 1 000-1 500 Pa Under drift stiger tryckfallet i filtret när mer och mer partiklar ackumuleras i det. Hos grova dammfilter är ökningen approximativt kvadratisk och hos aerosolfilter är den i stort sett linjär.

Den varierande karakteristiken hos denna tryckfallsökning gör det möjligt att konstruera filtersystem på olika sätt. Samtidigt läggs stor vikt vid investeringskostnader och drifts- och underhållskostnader.

Under normala driftförhållanden (dvs. vid nominellt luftflöde, normal dammkoncentration och åtta timmars drift per dag), är livslängden hos ett filter följande: – Grovfilter ¼ … ½ år – Finfilter ½ … ¾ år (med grovfilter monterat framför finfiltret) – Aerosolfilter 1 … 4 år (med grov- och finfilter monterat före aerosolfiltret) beroende på drifttid och flödeshastighet vid filterytan.

6.2.3.3 Filtertyper Det finns många olika typer av filter. De kan benämnas på många olika sätt beroende på materialet, installationssättet, användningssättet, filterklassen och andra faktorer. Nedan finns exempel på några av de vanliga benämningarna på olika typer av filter.

Material Metallfilter Fiberfilter (eller ”torrt” filter) Aktivt kolfilter Oljebadsfilter eller ”visköst” filter Elektriskt fiberfilter

Installationssätt Vertikalt filter Kanalfilter Väggmonterat filter, takmonterat filter

Användning Engångsfilter Permanent filter (regenerativt)

Filterklass se Fig. 6-6

Driftstyp Stationärt filter Automatiskt filter Filter med rullande medium eller rullfilter etc. Elektriska filter

Konstruktion Diagonalflödesfilter Cirkelformat luftfilter Trumfilter eller roterande filter, cylindriskt filter Påsfilter, V-format veckat filter

Fig. 6-7 Olika typer av luftfilter (källa: Recknagel)

Ursprungligt tryckfall

Sluttryckfall

Stigande tryckfall under drift

Normal livslängd




136


6.2.3.4 Fiberfilter (eller ”torra” filter) Denna filtertyp, som finns i olika format, är en slags filt som tillverkas av fibrer från olika material som glas, syntet, naturprodukter eller metaller. De allmänna grundkraven är lång livslängd och låga tryckfall. Dessa två krav kan uppfyllas genom att filtret ges en så stor filtreringsarea som möjligt. Vanliga konstruktionstyper är: – styva filterceller – påsfilter Här stöds filtermediet, med en total tjocklek på cirka 50 mm, av en styv ram av perforerad metall eller kartong. I en annan konstruktionstyp böjs mediet i veck som hålls isär av kartong- eller plastdistansbrickor.

Fig. 6-8 Filterceller, filterram med veckat filtermaterial (för att öka ytans area)

Påsfilter är den vanligaste formen av torra filter. Olika anordningar (t.ex. kilformade sömmar, separata trådar, limmade eller fastsydda filtremsor etc.) hindrar fickorna från att bölja ut. Filtret består av påsar i en ram.

Fig. 6-9 Påsfilter

Påsfilter har en mycket hög adsorptionsförmåga (kvarhållningsförmåga) för damm och tar relativt lite plats. Förhållandet mellan filterytans area och den projicerade ytans area är 20:1 - 25:1. Luftflödets hastighet är ≈ 2,5 m/s i förhållande till den projicerade ytans area och ≈ 1 m/s i förhållande till filterytans area.

Trots att dessa filter normalt inte kan rengöras, har de ändå lång livslängd.

Styva filterceller

Påsfilter




137


Dessa filter används normalt som sista steg i ett flerstegsfilter (det är nödvändigt att använda förfilter). De används huvudsakligen i industriapplikationer som laboratorier, operationssalar, rena rum och farmaceutiska applikationer.

Aerosolfilter består ofta av veckat filtermaterial i en ram. Den effektiva filterarean är 20-50 gånger större än den area som är projicerad mot flödet. För en luftflödeshastighet i förhållande till den projicerade ytans area ≈ 1,5 m/s ger detta en flödeshastighet på ≈ 2,5 cm/s i förhållande till filterytans area.

När ett filter monteras är det mycket viktigt att det blir lufttätt.

På grund av det höga volymflödet och den kontinuerliga driften i rena rum måste tryck-fallet observeras särskilt noggrant, eftersom det har stor betydelse för energianvändningen. Inom den senaste utvecklingen av filterklasserna H 13 - U 16 (tidigare S, T och U) har man därför siktat på att minska den initiala tryckdifferensen (t.ex. 90-150 Pa). Av denna anledning har exempelvis elektrostatiska och mekaniska adsorptionsförmågor kombinerats, vilket ger ett minskat ursprungligt tryckfall (t.ex. 55-90 Pa).

Fig. 6-10 Aerosolfilter

6.2.3.5 Metallfilter Metallfilter används för att stoppa överföringen av fett- och oljedimmor, grovt damm och bläckdimma.

Filtreringseffekten fungerar så att när luftströmmen passerar genom filtermediet, så bryts den upp i flera mindre luftströmmar, vars riktning ständigt växlar. Adsorptions-mekanismen bygger på blockerings- och stabilitetsprinciper.

Fig. 6-11 Metallfilter (två olika konstruktioner)

Filtren rengörs genom att de diskas med diskmedel (detta gäller exempelvis filter i köksfläktar) eller i oljor eller lösningar, beroende på typen av förorening.

Aerosolfilter




138


6.2.3.6 Aktivt kolfilter Aktiva kolfilter används för adsorption (kvarhållning) av skadliga eller oönskade orenheter i luften i form av gas eller ånga. Detta omfattar inte enbart odörer från kök, toaletter och offentliga samlingssalar, utan även gaser och ångor från industriprocesser. Det aktiva kolet verkar genom fysisk och/eller kemisk adsorption, beroende på föroreningens och kolets tillstånd.

Grundmaterialet för aktivt kol kan vara kol, kokosnötsskal eller trä. Materialet behandlas i en särskild process som producerar en mycket porös slutprodukt. Det har därmed en exceptionellt stor ytarea som kan fånga upp föroreningens molekyler. Till skillnad från det synliga, makroskopiska formatet och ytarean, kallas den ytarea som utgörs av porer den ”interna” eller specifika ytarean hos det aktiva kolet. Som en riktlinje kan anges att 1 g aktivt kol motsvarar en volym på cirka 2 cm3 och har en specifik ytarea på 900-1 200 m2.

För att ett aktivt kolfilter ska kunna filtrera bort specifika föroreningar, måste adsorptionsytan ofta behandlas, eller impregneras, med en kemikalie. Aktivt kol kan inte användas för adsorption av gaser som N2, O2 och CO2, eftersom det aktiva kolet i sig redan innehåller dessa molekyler.

Aktiva kolfilter finns i olika former, exempelvis som plattor med aktivt kol eller som återanvändningsbara patroner med aktiva kolfilter. Metoderna som används för att återaktivera filtret (t.ex. behandling med höga temperaturer) varierar kraftigt beroende på den förorening som adsorberats.

Fig. 6-12 Aktiva kolfilter (olika exempel)

Det är nödvändigt att använda förfilter för att verkningsgraden hos det aktiva kolet inte ska nedsättas till följd av dammföroreningar. Ett aktivt kolfilter som monteras och underhålls på korrekt sätt har en livslängd på 3-12 månader.

6.2.3.7 Elektriska filter Elektriska filter förekommer relativt sällan i ventilationssystem, men de används i vissa specialfall (t.ex. i lokaler med ett högt damminnehåll, där kontinuerlig drift dygnet runt är nödvändig, eller för frånluft som innehåller oljedimma etc.).

De flesta elektriska filter fungerar enligt Penneys princip och de består av en joniseringszon med tungstentrådar med positiv laddning, där de inkommande dammpartiklarna attraherar joner och därmed får en positiv laddning, samt en dammspärr i form av en plattkondensator. Beroende på typen av partiklar som ska filtreras bort, kan ytan vara sprayad med dammbindande ämnen. Filtret rengörs genom att sprayas med vatten (cirka 30-40 °C), vilket kan göras automatiskt.

Elektriska filter avlägsnar damm på ett mycket effektivt sätt, inklusive de minsta dammpartiklarna ned till 0,1 μm och mindre (t.ex. tobaksrök, dimmor, pollen och bakterier) och har ett lågt luftmotstånd, men är dyra att köpa.

Liten extern ytarea och stor adsorptionsyta i mediets porer

Impregnering beroende på föroreningstyp

Konstruktionstyper

Livslängd

Elektriska filter med joniseringszon




139


I vissa applikationer används elektriska filter som verkar enligt elektrostatiska principer och saknar laddningszon (joniseringszon). Då kan fibrösa material användas som filtermedium. Materialet specialbehandlas för att innehålla elektriska dipoler, eller så placeras det i ett externt genererat elektrostatisk fält. Beroende på spänning och filtermediets struktur, varierar adsorptionseffekten mellan 15-90 %.

6.2.3.8 Automatiska filter I dessa filter kan filtermediet eller skiktet förnyas eller rengöras, antingen fortlöpande eller vid enskilda tillfällen, under drift. Man skiljer mellan:

– Automatiska rullfilter – Automatiska viskösa filter I automatiska rullfilter rullas det rena filtermediet upp från en rulle och spolas upp på en annan rulle när det blir smutsigt. Spolningsmekanismen drivs en elmotor.

Dessa filter har ett mer eller mindre konstant tryckfall, men luftdistributionen varierar beroende på höjden (t.ex. en högre lufthastighet nära toppen där filtermaterialet är relativt rent och en lägre lufthastighet nära botten där filtret är smutsigare).

Fig. 6-13 Rullfilter

Automatiska viskösa filter drivs med en rulle av celler eller plattor som hela tiden är i rörelse. Under rörelsen passerar de ett oljekärl där de rengörs. De rengjorda ytorna vänds sedan mot luftintaget. Det damm som tvättas bort av processen samlas på botten av oljekärlet och avlägsnas genom att oljan tappas av och sedimenten skrapas bort, eller med hjälp av en självrengörande oljekrets.

Elektrostatiska filter

Automatiska rullfilter

Automatiska viskösa filter




140


6.2.4 Fläktar Fläktar genererar det erfordrade flödet genom att skapa en tryckökning som motsvarar tryckfallet i systemet.

Fig. 6-14 Radialfläkt med separat motor och fläktrem (för installation i ett ventilationsaggregat)

Åtskillnad görs mellan radialfläktar (Fig. 6-15) och axialfläktar (Fig. 6-16). I ventilationssystem används radialfläktar i princip för relativt små luftvolymer (upp till cirka 50 000 m3/h) som matas med högt tryck (upp till 3 000 Pa). Axialfläktar används för relativt stora luftvolymer (>50 000 m3/h) som matas med lågt tryck (upp till 1 000 Pa).

Radialfläkten suger in luften axiellt och matar det radiellt. Spiralkåpan har utformats för att leda luften på detta sätt. Fläkthjulen kan ha framåtböjda, bakåtböjda eller raka skovlar.

Mekanisk konstruktion Användning

Bakåtböjda skovlar Ger låga fläkttryck Verkningsgrad cirka 80-85 %

Framåtböjda skovlar Ger höga fläkttryck Verkningsgrad cirka 55-75 %

Raka skovlar Självrensande. För specialapplikationer

Fig. 6-15 Radialfläkt med fläkthjul (1), spiralkåpa (2), luftintag (3) och luftutlopp (4) (källa: LTG)

Axialfläkten får luften att strömma parallellt med drivaxeln. Hos de bättre, högpreste-rande axialfläktarna fångas virveln, som pumphjulet skapar, av en fast skovelkrans.

Mekanisk konstruktion Användning

Väggmonterad fläkt För montering på fönster eller väggar

Utan fast skovelkrans För tryck upp till cirka 300 Pa

Med fast skovelkrans För tryck upp till cirka 1 000 Pa

Kontraroterande fläkthjul (två fläkthjul som rör sig i motsatta riktningar)

För tryck >1 000 Pa och för specialapplikationer

Funktion

Konstruktion och funktion

Radialfläktar

Axialfläktar

2

1

3

4




141


Fig. 6-16 Axialfläkt med fläkthjul (1), fast skovelkrans (2), luftintag (3) och luftutlopp (4) (källa: LTG)

6.2.4.1 Fläkt- och systemkarakteristik I system med kvadratisk karakteristik (vanligast, se fig. 6-17, systemkarakteristik I och II) och konstant densitet, gäller de affinitetslagar (fläktlagar) som härleds från proportionalitetslagarna inom vätskemekaniken.

Volymflödet varierar i direkt förhållande till varvtalet.

2

1

2

1

nn

VV

=&

& (Ekvation 1)

Fläkttrycket stiger som en kvadrat av varvtalet eller volymflödet.

2

2

12

2

1

2

1

nn

VV

pp

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

&

& (Ekvation 2)

Motorns uteffekt varierar i förhållande till kubiken av varvtalet eller volymflödet (under förutsättning att fläktens verkningsgrad är konstant).

3

2

1

3

2

1

2

1

n

n

V

V

P

P⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

&

& (Ekvation 3)

V& = Luftflöde (m3/s) n = Varvtal (varv/min) p = Tryck (Pa) P = Fläkteffekt (W) • Ekvation 1 visar att volymflödet kan fördubblas genom att varvtalet fördubblas.

Exempel: Om fläktens varvtal ökas från 1 000 till 2 000 varv/min, ändras volymflödet från 4 000 m3/h enligt följande:

/hm 8'000varv/min 1000varv/min 2000/hm 4'000

nnVV

nn

2V1V

33

1

212

2

1 =⋅=⋅=⇒= &&&

&

Affinitetslagar

Affinitetslag 1

Affinitetslag 2

Affinitetslag 3

Vad visar ekvationerna?

3 2

4 1 Endast för utvärdering



142


• Ekvation 2 visar att en fördubbling av volymflödet medför en fyrfaldig tryckökning. Exempel: Fläkten ger 4 000 m3/h vid ett tryck på 350 Pa. Om varvtalet nu fördubblas (och därmed volymflödet), enligt beräkningen ovan, stiger trycket enligt följande:

Pa 1'400/hm 4'000/hm 8'000

Pa 350V

Vp2p

n

n

V

V

p

p2

3

32

1

21

2

2

1

2

2

1

2

1 =⋅=⋅=⇒== ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛&

&

&

&

• Ekvation 3 visar att om volymflödet fördubblas så krävs åtta gånger så mycket

energi, eller i en omvänd process, om volymflödet halveras så sjunker energianvändningen till 1/8. Exempel: Om fläkten exempelvis används i en VAV-anläggning och körs på låglast, behöver den endast leverera 4 000 m3/h istället för 8 000 m3/h. Då sjunker energianvändningen enligt följande från ursprungliga 3,0 kW (vid axeln) till:

kW 0.375/hm 8'000/hm 4'000 kW 3.0

VVpp

nn

VV

pp

3

3

33

1

212

3

2

13

2

1

2

1 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=⇒⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= &

&

&

&

1

2

3

I

II

4

n1

n3

n4

Δp1

Δp2

Δp3

Fig. 6-17 Fläkt- och systemkarakteristik (inte log-log) n1 … n4 Fläktkarakteristik vid olika varvtal I, II Systemkarakteristik 1 och 2 1-4 Arbetspunkter 1 Normal arbetspunkt 1→2 Växling av arbetspunkt, t.ex. på grund av ett smutsigt filter 3 Som 2, men med önskat luftvolymflöde 1→ 4 Växling av arbetspunkt på grund av varvtalshöjning

1V& 4V&




143


6.2.5 Luftvärmare Används för att värma tilluften till erforderlig temperatur.

– Luftvärmare med lamellväxlare, drivs med lågtempererat varmvatten, högtempererat varmvatten eller ånga (Fig. 6-19)

– Elektriska luftvärmare (Fig. 6-21) Luftvärmare används som förvärmare eller återvinningsvärmare i system för luftuppvärmning och luftkonditionering.

Fig. 6-19 Luftvärmare med lamellväxlare

Vattenburna luftvärmare uppvisar normalt en olinjär statisk karakteristik vad gäller vattenflödet genom dem och den uteffekt som uppstår. Beroende på hur de är konstruerade och på försörjningstemperaturerna, varierar karakteristiken för värmeöverföringen från en brant till en flack kurva, vilket uttrycks av ”a-värdet”. Luftvärmarens karakteristikkurva visas i Fig. 6-20 i förhållande till det maximala volymflödet 100V& och den maximala uteffekten 100Q& .

Fig. 6-20 Karakteristikkurvor för luftväxlare och de associerade a-värdena

Funktion

Värmemedium

Vattenburna luftvärmare




144


Frysvaktens uppgift är att skydda luftvärmaren mot sönderfrysning genom att stoppa fläktarna om temperaturen i luftvärmaren underskrider inställt värde. Frysvaktens larmbörvärde är beroende av givarens utförande och placering enligt nedan. Alt.1: Insticksgivare i luftvärmare 4-6 °C (rekommenderas)

Alt. 2: Anliggningsgivare i samlingsrör 7-9 °C

Alt. 3: Dykgivare i returledning 7-9 °C Anliggningsgivare i returledning 10-12 °C

Alt. 1

Alt. 2

Alt. 3

Alt. 1

Alt. 2

Alt. 3

Fryssäkra luftvärmare är försedda med en säkerhetsventil, vilken tryckavlastar rören i luftvärmaren. Detta minskar risken för sönderfrysning, se nedan.

Fryssäker luftvärmare, källa: ThermoGuard

Elektriska luftvärmare har ett antal inbyggda spiralformade värmespiraler som blir varma när strömmen leds genom dem. De avger då sin värme till luften. De monteras på platser där det inte finns varmvatten, eller där anslutningspunkten är för långt bort eller där en vattenvärmd luftvärmare inte kan användas av andra skäl. På grund av brandrisken kräver luftvärmare särskilda säkerhetsarrangemang och säkerhetsanordningar (t.ex. säkerhetstermostat, efterkylning med fläkten etc.)

Fig. 6-21 Elektrisk luftvärmare (stålrör med integrerade luftvärmare, källa: Loysch)

Frysvakt

Fryssäker luftvärmare

Elektriska luftvärmare




145


6.2.6 Kallvattenluftkylare Kallvattenluftkylare är lamellväxlare som drivs med framlednings-/returtemperaturer på t.ex. 6/12°C eller 8/14°C. Luftkylare kräver normalt en större värmeöverföringsyta än luftvärmare, eftersom den genomsnittliga temperaturdifferensen mellan luftkylarens yta och luften är mindre. Luftkylaren byggs därför upp av flera rader med rör som placeras efter varandra. Om luften både ska avfuktas och kylas måste luftkylaren vara hydrauliskt ansluten enligt bilden nedan, dvs. i en fördelningskrets. Om luften bara ska kylas kan en blandningskrets användas.

Fig. 6-22 Exempel på installation av en kallvattenluftkylare 1 Kallvatteninlopp 2 Luftintag

6.2.7 Direktexpanderande luftkylare (DX-kyla) En lamellväxlare som fungerar som förångare i en köldmediekrets monteras direkt i luftflödet som en luftkylare. Denna lösning används normalt enbart i kompakta kylenheter som även har en inbyggd kompressor och kondensor.

Fig. 6-23 Direktexpanderande luftkylare Olika typer (vänster) Detalj som visar anslutningen av köldmediefördelaren (höger)




146


6.2.8 Luftfuktare – Fuktning genom förångning av vatten – Fuktning genom tillförsel av ånga

6.2.8.1 Förångningsluftfuktare Förångningsluftfuktare kan utgöras av dysfuktare, aerosolfuktare och våt yta.

Vatten pumpas från en behållare till dysor som är placerade i luftflödet. Huvuddelen av de fina dropparna förångas och bildar ånga. Under denna process utvinns den latenta förångningsvärmen från luftflödet. Eftersom den energi som krävs för förångningen uteslutande hämtas från luften, kyls luften (adiabatisk kylning). De vattendroppar som inte förångas avskiljs i en droppskärm vid dysfuktarens utlopp och leds sedan tillbaka till uppsamlingstråget.

Fig. 6-24 Dysfuktarens funktionsprincip och exempel (källa: Baehr) 1 Dysor (flera rader bredvid varandra, ofta riktade mot luftflödet) 2 Droppavskiljare 3 Uppsamlingstråg 4 Cirkulationspump

Vattnet förvandlas till en fin spraydimma med spridarmunstycken. Vattendropparna eller ”aerosolerna” är så små att de först svävar i luften och sedan förångas helt. Den latenta förångningsvärmen avlägsnas från luften som blir något svalare (adiabatisk kylning).

Fig. 6-25 Fuktning med våt yta (inbyggd i ventilationsaggregat)

Metoder

Dysfuktare

Aerosolfuktare

1

2

3

4 3

2




147


Porösa keramiska plattor med en stor ytarea placeras efter den vattenspridare som beskrivs ovan. Alla aerosoler som ännu inte förångats fångas av dessa plattor och förångas därefter fullständigt (se fig. 6-25).

I system med stränga hygienkrav, kan ultraljudfuktare användas. Jämfört med de fuktningsmetoder som beskrivs ovan använder ultraljudfuktare mindre vatten och energi.

Vibrationer skapas i den inkommande luften med hjälp av en ultraljudgenerator, eller genom att luften leds genom en cyklon. Vattnet sprutas sedan in i luften vid högt tryck (20-150 bar) genom munstycken. Vibrationen eller turbulensen säkerställer att luften blandas väl i processen. Även i det här fallet absorberar den latenta förångningsvärmen fukten i luften. Det orsakar ett temperaturfall i den fuktade luften.

Fig. 6-26 Konstruktionsprincipen hos ultraljudfuktare och exempel (källa: Klingenburg) 1 Luftturbulens 2 Spridarmunstycke(n) 3 Blandningszon 4 Droppavskiljare

I ultraljudfuktare, sprids endast så mycket vatten som erfordras. Därför sker ingen återcirkulation hos vattnet och det finns inte något uppsamlingstråg. Alla droppar som inte förångas fångas i droppavskiljaren.

Ultraljudfuktare fungerar mycket bra som luftfuktare (med en fuktningsgrad nära 100 %). Uteffekten styrs genom att vattentrycket i spridarmunstycken justeras.

6.2.8.2 Ångfuktare Vatten förångas helt och sprutas sedan in i luften varför ingen kylning av luften sker. Fuktning med ånga är att föredra framför användningen av förångningsluftfuktare där det inte finns något samtidigt behov av att kyla luften. Ångan är hygienisk och bakteriefri.

Ångfuktaren innehåller ett förångningskärl med uppvärmningselektroder vars verkningsgrad försämras med tiden (se fig. 6-27). Eftersom kalkavlagringarna från vattnet stannar kvar i förångaren måste hela förångningskärlet bytas ut med jämna mellanrum. Ångfuktaren kan effektstyras.

Våt yta

Ultraljudfuktare

Princip

Ångfuktare med inbyggd ångförsörjning

1 2 3

4




148


B17-15

Fig. 6-27 Ångfuktare med självgenererad ånga 1 Förångningskärl 2 Elektroder 3 Ångejektor 4 Kondensatledning 5 Anslutning till vattenförsörjning

I stora system (industriella anläggningar) med hög luftfuktarkapacitet, genereras ångan i en separat ångpanna. Ångan, som är fri från kondensvatten, sprutas in i luftflödet via ångspjut (fig. 6-28). Allt kondensvatten som samlas i ångröret måste återföras till ångpannan. En styrventil avger önskad ångmängd.

S0132

Fig. 6-28 Ångfuktare med styrventil (1) och ångspjut (2) för externt genererad ånga

6.2.9 Avfuktning Det finns tre huvudmetoder för avfuktning av luften:

• Kylning av luften så att vatten kondenserar • Absorption (uppsugning) av vatten i hygroskopiska vätskor • Adsorption (vidhäftning) av vattenånga på fasta ytor Denna metod för torkning av luften innebär kylning av luften med ett köldmedium som är tillräckligt svalt för att kondensera vattnet i luften. Denna avfuktningsprocess är därför samtidigt en metod för kylning av luften.

Det är värt att observera att luften inte nödvändigtvis måste kylas till daggpunkten. Det räcker att temperaturen hos kylytan är lägre än temperaturen för luftens daggpunkt.

Ångfuktare med extern ångförsörjning

Kylning med kondensation

1

2

3

4

5

2 2

1

1

2




149


Kylaren eller luftkylaren behöver inte ens vara särskilt stor. Även en mycket liten kylyta orsakar kondensation.

Samma köldmedium kan användas för avfuktning som normalt används för kylning, dvs. kallvatten producerat av en kylmaskin, vatten från sjöar och floder, grundvatten etc. Dessutom kan de olika köldmedier som används för direktkylning användas.

I luftkonditioneringssystem används ofta metoden att avfukta luften samtidigt som dess temperatur sänks. Metoden med kondensationsavfuktning är också vanligast i mobila avfuktare.

Här sugs vattnet upp i en hygroskopisk vätska, som därigenom späds. Mängden fukt som absorberas ökar med stigande relativ luftfuktighet, ökande tryck och med sjunkande temperatur. Hygroskopiska vätskor regenereras normalt genom uppvärmning.

De vanligaste hygroskopiska vätskorna är saltlösningar med litiumklorid, litiumbromid eller kalciumklorid i vatten.

Med denna avfuktningsmetod fastnar vattenångan på ytan hos ett fast, poröst material, ”adsorbenten”, som utgörs av så små porer som möjligt.

Det vanligaste materialet för adsorption av vattenånga är natriumsilikat, mer känt som silika-gel. Det består till 90 % av SiO2

och har en intern ytarea på upp till 1 000 m2/g.

I adsorptionsprocessen avges adsorbentens adsorptionsvärme, vilket får luftens temperatur att stiga. Det kan därför vara nödvändigt att kyla luften efter avfuktning med denna metod. Adsorbenten regenereras genom uppvärmning till cirka 150-200 °C. När den har svalnat igen är den klar för användning på nytt.

Vid kontinuerlig drift av ett adsorptionssystem, krävs två silika-gelbehållare. Den ena adsorberar fukten i luften medan den andra regenereras och kyls.

Adsorptionsprincipen för avfuktning av luft sker i sorptiva kylsystem (uttorknings- och förångningskylning) (Fig. 6-29). Den roterande växlaren i dessa system består av en sammansättning av keramiska material och silika-gel. De temperaturer som krävs för regenerering är dock inte lika höga och det betyder att spillvärme kan utnyttjas.

Fig. 6-29 Torkrotorn och funktionsprincipen (källa: Klingenburg)

Absorption

Adsorption




150


6.2.10 Återvinning Syftet med återvinning är att utnyttja den värme eller kyla som finns i frånluften. Återvinningssystem är bland de viktigaste ventilationskomponenterna, eftersom de minskar energianvändningen betydligt. Oftast är det ett lagstiftat krav att värmeåtervinning används.

6.2.10.1 Typer av återvinning Vid behov blandas en del av rummets frånluft direkt med uteluften via en blandningsdel. Resultatet blir en blandningstemperatur och en blandningsluftfuktighet. Spjäll för uteluft, avluft och återluft är i normalfallet mekaniskt sammanlänkade, enligt Fig. 6-30 nedan. Blandning av åter-/uteluft används oftast vid luftburen uppvärmning, och betraktas inte som ett värmeåtervinningssystem.

2

3

1

B73-9

Fig. 6-30 Blandning av åter-/uteluft 1 Spjäll för uteluft 2 Spjäll för avluft 3 Spjäll för återluft

Fasta väggar skiljer frånluftflödet från uteluftsflödet. De är normalt konstruerade som kuber bestående av plattor, men några är konstruerade med rör. Materialet (t.ex. aluminium, rostfritt stål, glas eller syntetmaterial) väljs med hänsyn till applikationen och luftens tillstånd och kvalitet. Återvinningsgraden styrs av ett förbigångsspjäll (vanligtvis i tillluftskanalen) vilket tvingar en del av uteluften genom värmeväxlaren. Påfrostning av värmeväxlaren kan förhindras med hjälp av förbigångsspjället eller med hjälp av tillfällig avskärmning (sektionsavfrostning).

Fig. 6-31 Rekuperativ återvinning: Plattväxlare (källa: Klingenburg) 1 Uteluft 3 Frånluft 2 Tilluft 4 Avluft (Temperaturerna i exemplet vid 100 % temperaturverkningsgrad)

Funktion

Blandning av åter-/uteluft

Rekuperativ återvinning

1

2

3

4




151


Uteluft och frånluft leds genom en roterande, cellformig ackumulator. Återvinningsgraden kan varieras genom att rotorns hastighet ändras. Med en hygroskopisk rotoryta kan även luftfuktighet återvinnas (entalpiåtervinning).

B17-9

2

3

1

4

Fig. 6-32 Regenerativ återvinning: Roterande växlare Genomskärning och funktionsprincip 1 Uteluft 2 Tilluft 3 Frånluft 4 Avluft (Temperaturerna i exemplet vid 100 % temperaturverkningsgrad)

Två värmeväxlare monteras, en i uteluftsflödet och en i frånluftflödet. En cirkulationspump överför en blandning av vatten och glykol mellan de två enheterna. En 3-vägsventil används för att styra återvinningsgraden.

Denna typ av återvinning används i första hand där uteluften och frånluften är fysiskt åtskiljda, eller vid installationer där lukter och liknande inte får överföras till tilluften.

Skydd mot isbildning är särskilt viktigt för vätskeburen återvinning (Fig. 6-33). Vid låga utomhustemperaturer kyls vätskan betydligt av uteluften. Om temperaturen faller under frånluftens daggpunkt (på grund av den kalla vätskan), kondenseras fukten i luften och is kan bildas på värmeväxlarens frånluftssida. En påfrostningsgivare (5) förhindrar detta genom att styra 3-vägsventilen (4) att tillfälligt minska återvinningsgraden.

En differenstryckgivare över värmeväxlaren i frånluftskanalen kan övervaka både försmutsning och isbildning.

1

2

3

4

B17-10

5

Fig. 6-33 Vätskeburen återvinning 1 Uteluft 2 Avluft 3 Cirkulationspump 4 3-vägsventil (bör placeras som blandningsventil mot frånluftsväxlaren) 5 Påfrostningsgivare

Regenerativ återvinning

Roterande värmeväxlare

Vätskeburen återvinning

Skydd mot isbildning




152


Effektiviteten hos temperatur- eller fuktöverföringen uttrycks i verkningsgrad. Det är förhållandet mellan den faktiska förändringen av temperatur eller luftfuktighet och den förändring som är teoretiskt möjlig.

1

2

11

22

12

21

Temperaturverkningsgrad Fuktverkningsgrad Tilluft

2111

21222 tt

ttΦ

−−

= 2111

21222 xx

xx−−

=Ψ

Frånluft

2111

12112 tt

ttΦ

−−

=

t11 Frånluftstemperatur x11 Luftfuktighet hos frånluften t12 Avluftstemperatur x12 Luftfuktighet hos avluften t12 Uteluftstemperatur x21 Luftfuktighet hos uteluften t22 Tilluftstemperatur x22 Luftfuktighet hos tilluften

För luftkonditionering av, exempelvis, badhus kan återvinningens effekt beskrivas i form entalpiverkningsgrad

2111

2122h2 hh

hh−−

=Φ

System för värmeåtervinning

Krav på tilluft och frånluft tillsammans

Ofrivilligt läckage mellan frånluft/tilluft

Temperatur-verkningsgrad 1)

Tryckförlust på luftsidan 1)

Rekuperatorer

Korsströmsväxlare Motströmsväxlare

Ja Nej 50 … 60 %

70 … 90 % 150-300 Pa

Regeneratorer Roterande värmeväxlare utan hygroskopisk yta Ja Ja (endast lite) 75 … 85 % 50-100 Pa

Roterande värmeväxlaremed hygroskopisk yta Ja Ja (troligen) 75 … 85 % 50-100 Pa

Vätskeburen återvinning Nej Nej 50 … 60 % 100-200 Pa

Fig. 6-34 Egenskaper hos olika återvinningssystem 1) Endast riktvärden. Kontrollera hos tillverkaren.

Återvinningens ”verkningsgrad”

Egenskaper hos olika system för återvinning

Frånluft Avluft

Uteluft Tilluft




153


6.2.11 Sorptiv kylning Grundtanken bakom sorptiva kylsystem är att den konventionella eldrivna kompressorn för generering av kylenergi i luftkonditioneringssystem byts ut mot en metod med luftavfuktande funktioner. För detta används en specialprocess som kombinerar den normala processen med adiabatisk kylning med adsorptiv avfuktning (se 6.2.9). Vanligen används fasta sorbentmedier som t.ex. silika-gel. Drivkraften i processen (se 5 i fig. 6-35) är värme, som oftast är tillgänglig i form av spillvärme – särskilt under sommaren. Av Fig. 6-35 framgår att denna process sker vid en relativt hög temperatur (regenerativa luftvärmare upp till 70°C).

Efter den normala filtreringsprocessen avfuktas uteluften (t.ex. vid 32°C och 35 % rh) i ett adsorptionssystem (1). Denna avfuktning är en kontinuerlig process och den är i stort sett adiabatisk. Adsorptionsvärmen som avges i den här processen värmer upp tilluften.

Den torra varma luften kyls i en roterande växlare (2) (som under vintern används för att återvinna värme ur frånluften). Den kylda luften leds sedan genom en förångningsluftfuktare (3) så att den når erforderlig tilluftstemperatur och luftfuktighet.

I en andra förångningsluftfuktare (4) sänks frånluftstemperaturen för att öka kylningen av tilluften i roterande växlaren (2). Frånluften värms under processen. Värmen (5) används sedan för återuppvärmning för att regenerera adsorptionsväxlaren (1). Det kyler och ökar luftfuktigheten i avluften.

Fig. 6-35 Funktionsprincip hos ett sorptivt kylsystem – användning under sommaren (källa: Klingenburg) 1 Sorptionsväxlare (torkning av uteluft) 2 Roterande växlare 3 Luftfuktare för tilluft 4 Luftfuktare för frånluft (evaporativ kylning) 5 Regenerativ luftvärmare (värmer luften till exempelvis 70°C) I Tillståndsförändring, uteluft – tilluft II Tillståndsförändring, frånluft – avluft

Den smarta kombinationen av adiabatisk kylning och adsorptiv avfuktning

Funktionsprincip (på sommaren)

UL TL

AVL FRL 4

2

5

1

II

I

4

3

2

5 1

1 2

3




154


6.2.12 Tilluftsdon När luften har behandlats på erforderligt sätt i luftkonditioneringsaggregatet, leds den genom kanaler till de olika rummen. Luften måste ledas in i rummet så att den inte har en negativ inverkan på komforten i rummet. För att luften ska avges på bästa sätt i rummet finns många typer av tilluftsdon från olika tillverkare.

Fig. 6-36 Olika tilluftsdon Virvelspridare, dysdon, takspridare (källa: Trox)

6.3 Strategier för luftkonditionering Ett luftkonditioneringssystem är konstruerat för att leverera filtrerad luft med önskad lufttemperatur och, eventuellt, luftfuktighet året om. För att klara detta har systemet de komponenter som krävs för rening, återvinning, uppvärmning, kylning, fuktning eller avfuktning av luften.

Det är viktigt att överväga vilket behov som finns. Nedan följer några förhållanden som bestämmer kravnivån.

– Höga temperaturer, kvav luft – Arkitektoniska begränsningar som stora fönsterytor, kontorslandskap, ingen

skugga etc. – Höga krav med avseende på luftfuktighet och temperatur – Stora personbelastningar – Datorrum och maskinrum

Uppvärmning och kylning av lokaler inordnas efter metod, dvs. beroende på om energin överförs enbart via tilluften, eller enbart via varm-/kallvattenledningar eller genom en kombination av båda metoderna. Följande systemvarianter förekommer

• Luftburna system • Luft-/vattenburna system

Observera att betydligt mer energi krävs vid luftburna system än vid vattenburna system för att överföra samma värme- och kyleffekt.




155


Luftburna system

Uppvärmning och kylning av rum med luft i låghastighets- eller höghastighetssystem

Enkanalssystem Tvåkanalssystem Luftkanal för varm och kall luft

med varierande med konstant med varierande med konstant flöde flöde flöde flöde

Utan Med efterbehandling efterbehandling *

* med lokala eftervärmare/efterkylare

Luft-/vattenburna system

Energiöverföring via luft och vatten· med lokala växlare i rummet

Lokala Induktions- Fläkt- Kyltak/ vattenburna apparater konvektorer deplacerande värmare/ luftföringssystem luftkylare

2-rörs- 3-rörs- 4-rörs- system system system Framledning Värmevatten- och Framledning och retur

och returledning kylvattenframledning värmevatten och kylvatten Gemensam retur

– Med omkoppling - Med fläktstyrning Sommar: kylvatten - Med spjällstyrning Vinter: värmevatten - Utan omkoppling

Fig. 6-37 Olika strategier för uppvärmning/kylning av lokaler




156


6.3.1 Luftburna system Den energi som krävs för uppvärmning och kylning av rummen försörjs uteslutande via tilluften.

1

26

78

3

4

5

910

B17-21

8

Fig. 6-38 Luftburet system 1 Uteluft 2 Avluft 3 Tilluft 4 Frånluft 5 Rum 6 Värmeåtervinning och, eventuellt, återluft 7 Luftkonditioneringsaggregat 8 Luftkanaler (tilluft och frånluft) 9 Värmekälla 10 Kylmaskin

6.3.1.1 Enkanalssystem utan efterbehandling I denna typ av system (Fig. 6-39), behandlas tilluften i luftkonditioneringsaggregatet och transporteras sedan till rummen via kanaler. Uteffekten styrs utifrån uteluftens och, eventuellt, rummens tillstånd.

Dessa system lämpar sig för luftkonditionering av byggnader där lastvariationerna är liknande i alla rum.

1

2

6

4 3

5B17-22

7

Fig. 6-39 Enkanalssystem utan efterbehandling 1 Uteluft 2 Avluft 3 Tilluft 4 Frånluft 5 Rum eller zon 6 Värmeåtervinning och, eventuellt, återluft 7 Luftkonditioneringsaggregat




157


6.3.1.2 Enkanalssystem med efterbehandling I denna typ av system, (Fig. 6-40 och Fig. 6-41), förbehandlas tilluften i luft-konditioneringsaggregatet och transporteras via kanaler till rummen eller zonerna.

Den förbehandlade tilluften efterbehandlas efter behov för varje rum eller zon. Det kan bestå av värmning, kylning, avfuktning eller fuktning. Oftast brukar dock efterbehandlingen begränsas till värmning.

Ledningar för energiförsörjning i form av värmevatten, kylvatten eller ånga måste installeras i hela byggnaden.

1

2

6

7

4 3

5 5 11B17-23

9

8

9 9

10

Fig. 6-40 Enkanalssystem med lokal efterbehandling 1 Uteluft 7 Förbehandlingsaggregat 2 Avluft 8 Luftkanaler 3 Tilluft 9 Eftervärmare 4 Frånluft 10 Efterkylare 5 Rum 11 Rum med mycket sekundärvärme 6 Värmeåtervinning och, eventuellt, återluft

I enkanalssystem med central zonefterbehandling (Fig. 6-41) sker efterbehandlingen direkt efter luftkonditioneringsaggregatet. I det här fallet behövs ledningar för energiför-sörjning i form av värmevatten, kylvatten eller ånga enbart i fläktrummet. Luftkanalerna till zonerna måste dock vara isolerade så att den energi som överförts till luften i efterbehandlingsprocessen inte går till spillo under distributionen.

2

1

5 6 7 8 9 10 11

11

13

12

4

3I

II

III

B17-24 Fig. 6-41 Enkanalssystem med central zonefterbehandling 1 Uteluft 8 Luftkylare 2 Avluft 9 Luftfuktare 3 Tilluft 10 Eftervärmare 4 Frånluft 11 Fläktar 5 Värmeåtervinning, och, 12 Zoneftervärmare· och, eventuellt, återluft eventuellt, återluft 13 Zonventiler 6 Filter 7 Förvärmare

10




158


Efterbehandlingsenheterna är luftvärmare och luftfuktare som beskrivs i avsnitt 6.2. Valet av luftfuktare beror till stor del på var den ska installeras.

Den här typen av installationer används i byggnader med ett litet antal relativt stora zoner, med ett högt luftflöde. De lämpar sig inte för byggnader mer flera små zoner eftersom kanalerna är mycket utrymmeskrävande. Av samma anledning får zonerna inte ligga för långt ifrån varandra eller för långt bort från luftkonditioneringsaggregatet.

6.3.1.3 Tvåkanalssystem Termen ”tvåkanal” innebär att två parallella luftkanaler, en varm och en kall, dras till varje rum (Fig. 6-44). För att minimera utrymmesbehovet så mycket som möjligt konstrueras kanalsystemet oftast som ett högtryckssystem. Luftströmmarna expanderar från högt till lågt tryck och varm- och kalluft blandas i specialkonstruerade blandningsboxar installerade i rummen. Blandningsförhållandet styrs av rummets temperaturregulator.

1

26

7

8 910

11

124

3

5B17-27

Fig. 6-44 Tvåkanalssystem med avfuktning av tilluften 1 Uteluft 7 Förbehandlingsaggregat 2 Avluft 8 Eftervärmare 3 Tilluft 9 Ångfuktare 4 Frånluft 10 Varm kanal 5 Rum 11 Kall kanal 6 Värmeåtervinning och, 12 Blandningsbox eventuellt, återluft

När luftkonditionering var en ny teknik var energianvändningen inte en faktor som ansågs vara särskilt viktig och då drevs varm- och kalluftskanalerna vid samma temperaturer året om, med en onödigt hög energianvändning. Detta särskilt vid låga laster, eftersom värmeenergin användes för att kompensera för kylenergin. Exempelvis värmdes tilluften upp till 20°C i förbehandlingsaggregatet. Hälften av detta kyldes till 10°C medan den andra hälften värmdes till 30°C. Vid slutet av processen blandades båda luftströmmarna (igen!) i blandningsboxarna till en temperatur på cirka 20°C.

När stor energianvändning blev ett allvarligt problem, slutade man att använda tvåkanalssystem tills reglertekniken slutligen övervann problemet med onödig energianvändning i denna för övrigt praktiska lösning. Numera är börvärdena för tilluftstemperaturen inte längre konstanta. Istället behovsstyrs temperaturen i varm och kall kanal av det högsta respektive lägsta börvärdet från rumstemperaturregulatorerna. Med modern digital teknik kan man läsa av de aktuella värdena via en buss i byggnaden och när som helst välja max-, medel- och minimivärden. Detta bidrar till att minska blandningsförlusterna. Rum med maximal kyllast erhåller bara kalluft, medan de med maximal värmelast bara erhåller varmluft. Rum med mellanhög värme- eller kyllast erhåller en blandning av varm och kall luft.




159


Förbehandlingsaggregatets luftkylare, som visas i Fig. 6-44, gör det möjligt att avfukta tilluften. Om detta kombineras med ångfuktning i varmluftkanalen erhålls ett fullständigt luftkonditioneringssystem med reglering av rummets temperatur och luftfuktighet. Denna komfortnivå måste betalas i form av en relativt hög energianvändning för att avfukta och sedan återuppvärma tilluften och är därför enbart tillåten i specialfall.

Blandningsboxarna är konstruerade för installation i mellantak eller under fönster. Luftutloppen är utloppsgaller eller takdon.

Fig. 6-46 visar konstruktionsprincipen för blandningsboxar. Blandningsboxen fungerar som expansionsenhet, luftblandningsanordning (ventil eller spjäll) och ljudisolerande element i en enhet. De innehåller också en mekanisk flödesregulator, som håller tilluftsflödet på en konstant nivå även vid fluktuerande tryck i tilluftskanalerna. Blandningsboxar finns också med separat variabelt kalluftsvolymflöde (Fig. 6-47).

B17-29

312

T

4

5

T

M2

31

5 4

6

B17-30 Fig. 6-46 Blandningsbox 1 Kalluft 2 Varmluft 3 Blandningsspjäll 4 Konstantflödesreglering 5 Tilluft T Temperaturgivare

Fig. 6-47 Blandningsbox med variabelt kalluftsflöde 1 Kalluft 2 Varmluft 3 Blandningsspjäll 4 Konstantflödesreglering (50 %) 5 Flödesreglering av kalluft (upp till 100 %) 6 Tilluft T Temperaturgivare

6.3.1.4 Variabelflödessystem (VAV) VAV (Variable Air Volume) -systemet är i grund och botten ett kylsystem och därför måste det kombineras med ett lämpligt värmesystem när det finns behov av uppvärmning (radiatorer, konvektorer eller golvvärme). Hela kyleffekten erhålls via tilluften. Tilluftstemperaturen är konstant och rumstemperaturen regleras genom att styra tilluftsflödet. Det finns inte något behov av att dela in byggnaden i zoner, eftersom tilluftsflödet kan styras individuellt i varje rum. I en byggnad med rum i alla fyra väderstreck utgör solstrålningen en av de största kyllasterna. Eftersom solen rör sig runt byggnaden, är inte den maximala kyllasten i alla rum samtidigt.

Kyleffekten är proportionell mot tilluftsflödet. Eftersom alla rum inte har maximalt kylbehov samtidigt, blir det maximala totalflödet betydligt mindre än summan av de maximala flödena för varje enskilt rum. Genom att använda speciella tilluftsdon kan temperaturdifferensen mellan rumsluften och tilluften också ökas betydligt jämfört med konventionella system, så att det blir möjligt att reducera tilluftsflödet ännu mer.

I VAV-systemet som visas i fig. 6-48 förs tilluften som behandlats i luftkonditionerings-aggregatet via ett enkanalssystem till rummen som ska luftkonditioneras. Kanal-systemet är oftast konstruerat som ett högtryckssystem. Mindre installationer kan dock även vara konstruerade som lågtryckssystem.




160


1

2

5

6

43

8B17-31

9

7

7

Fig. 6-48 Variabelflödessystem (VAV) 1 Uteluft 6 Luftkonditioneringsaggregat 2 Avluft 7 VAV-boxar (tilluft och frånluft) 3 Tilluft 8 Grundlastvärme via värmesystemet 4 Värmeåtervinning och, 9 Rum eventuellt, återluft 5 Spjäll

Fördelarna med luftkonditionering med VAV-system jämfört med konstantflödessystem med varierande temperatur har varit kända länge. Tidigare var det dock besvärligt och kostsamt att hålla en stabil distribution av tilluften när tilluftsflödet varierade. Detta var i stort sett omöjligt med fasta utloppsventiler som perforerade tak eller tilluftsdon av gallertyp. Tekniken blev vanligare i och med att särskilda tilluftsdon med inbyggd reglering av luftvolymen blev tillgängliga till ett rimligt pris.

Fig. 6-49 VAV-box med en kompaktregulator (kombination av regulator och spjällställdon, källa: Siemens)

6.3.2 Luft-/vattenburna system

6.3.2.1 Undanträngande (deplacerande) luftföring I luftburna system förflyttas stora luftvolymer i rummet, vilket leder till höga lufthastigheter i utrymmen där människor vistas. Undanträngande luftföring kan i stor utsträckning uppfylla de växande krav som ställs på luftkonditioneringssystem vad gäller avsaknad av drag och avlägsnandet av värme och föroreningar.

Vid undanträngande luftföring leds luften in i rummet nära golvet med en temperatur som är något under rumstemperatur och med laminärt flöde eller minimal turbulens (Fig. 6-50). Tilluftstemperaturen är 1-3 K under rumstemperaturen i kontor (och ned till 8 K i industrilokaler). Utloppshastigheten är cirka 0,2 m/s på kontor och upp till 0,6 m/s i andra applikationer. Den tillförda luften bildar en ”bubbla” av sval ren luft i vistelsezonen. Den termiska stigkraft som skapas av människor och utrustning i rummet får luften att stiga mot taket, där den sugs ut. Eftersom luften bara stiger mot taket i närheten av värmekällor, försvinner värme- och eventuell föroreningslast direkt när den stiger, utan att cirkulera genom rummet. På så sätt blir det möjligt att upprätthålla god luftkvalitet med relativt liten luftomsättning.

Tilluftstemperaturen lägre än rumstemperaturen




161


Installationer med undanträngande luftföring lämpar sig inte för uppvärmning av rum, eftersom varmluften från donet skulle stiga direkt upp till taket. Av denna anledning finns ett behov av uppvärmning med t.ex. radiatorer eller konvektionsvärmare under fönster.

För att inte hindra luftföringen och för att bevara värmekomforten måste ett visst avstånd hållas från tilluftsdonen (se 3 i Fig. 6-50).

Fig. 6-50 Exempel på undanträngande luftföring 1 Undanträngande tilluftsdon 2 Frånluftskanal 3 Fri zon

På grund av att tilluftstemperaturen enbart är 1-3 K lägre än rumstemperaturen, kan endast mycket små kyllaster avlägsnas med ventilationen. Vid större behov av kylning måste system med undanträngande luftföring kombineras med ytterligare kylytor i rummet, t.ex. kyltak.

Undanträngande luftföring lämpar sig särskilt väl för lokaler där lasterna inte varierar så mycket, eller i områden där luftkvaliteten är särskilt viktig (t.ex. tillverkningsindustrier, sporthallar och teatrar). Detta system, framför allt vid användning i samband med kyltak, klarar mycket höga komfortkrav.

6.3.2.2 Kyltak Eftersom luft är en dålig värmeledare, går det sällan att försörja rummet med tillräcklig kylenergi via luftkonditioneringssystemet. Tilluftstemperaturen kan, av komfortskäl, inte vara så låg som ibland skulle krävas. Av denna anledning kombineras ett luftkonditioneringssystem ofta med statiska kylkomponenter. Luftkonditioneringens huvuduppgift är i det här fallet att ersätta den unkna inomhusluften. De statiska kylkomponenterna kan monteras under innertaket eller utgöra en integrerad del av det (därför kallas det ”kyltak”). Dessa kyler rummet till erforderlig temperatur, med vatten som köldmedium. De mekanismer som får värme att avges är värmestrålning (från alla varmare ytor till taket) och konvektion (luft kyls vid taket och rör sig nedåt).

För slutna kyltak och kylpaneler är förhållandet cirka 60 % strålning och 40 % konvektion – därför kallas de strålande kylapparater. Med kylbafflar är förhållandet omvänt, med mer konvektion än strålning och dessa kallas konvektiva kylapparater.

De strålningskyltak som finns på marknaden idag har en kyleffekt på upp till 125 W/m2, medan konvektiva kylbafflar klarar upp till 160 W/m2.

Den maximala kapaciteten hos ett kyltak bestäms av kylvattnets temperatur (normalt cirka 15°C … 16°C). Temperaturen på kylvattenrörens ytor och hela kyltaket får aldrig sjunka under inomhusluftens daggpunkt för att undvika kondensbildning.

Uppvärmningsbehovet täcks av andra system

Enbart små kyllaster kan avlägsnas

Användningsområden

Kyltak, kylpanel, kylbaffel

Kondensering vid temperaturer under daggpunkten

0,1 m/s 21 − 23 °C

23 ... 24 °C

20 °C 0,2 m/s 19 °C

ca. 2 m

1

3

2Endast för utvärdering



162


Problemet minimeras med en daggpunktsgivare på kylvattenröret. Om den identifierar en risk för kondensering – Stängs kylvattenflödet av eller – Höjs kylvattnets temperatur. Fönster i byggnader med kyltak bör normalt inte öppnas, eftersom den varma uteluften kan kondensera på kylapparaterna.

Fig. 6-51 Kylpaneler

6.3.2.3 Fan coil-apparater (fläktkonvektorer) Det traditionella luft-/vattensystem som oftast används vid komfortluftkonditionering är ”fan coil-apparater”. ”Fan coil” avser i det här sammanhanget fläkten och lamellväxlaren inuti enheten. Denna kombination av fläkt, lamellväxlare, filter för återluft samt reglerutrustning marknadsförs som en enhet. Fan coil-apparater (fig. 6-52) kan monteras på valfri vägg i rummet och de ansluts till varm- och kallvattennätet och strömförsörjningen. Den inbyggda fläkten suger in luft från rummet och avger den igen via lamellväxlaren (där den värms eller kyls) och tilluftsgallret. Om enheten är monterad på en yttervägg kan en liten del utomhusluft sugas in genom ett spjäll, och blandas med återluften.

B17-33

7

5

6

Fig. 6-52 a) Fan coil-apparat och komponenter b) Fan coil-apparat med uteluftsinblandning 1 Börvärdesinställning 5 Fan coil-apparat 2 Lamellväxlare 6 Uteluftenhet med spjäll 3 Fläkt 7 Varmvatten- eller kallvattenkrets 4 Justerbart tilluftsgaller

Ett bra sätt att driva ett fan coil-system är med hjälp av ett vatten/vattenvärmepump, där kondensorn genererar värmen för luftvärmaren och förångaren genererar kylenergin för kylkretsen. Denna konfiguration ger även optimal värmeåtervinning mellan värme- och kylkretsen. Dessutom kan ackumulatorn som behövs för jämn drift av värmepumpen kombineras med en solfångarkrets, eftersom vattentemperaturen för värmekretsen kan vara relativt låg.




163


Fan coil-apparater med en direktverkande luftkylare utgör ventilationsdelen av ett ”Split-aggregat” (se 6.4.4). För uppvärmningssyfte har enheten också en varmvattenslinga – eller i undantagsfall, ett elektriskt värmeelement.

Fan coil-apparater är idealiska för uppvärmning och kylning av luften i t.ex. hotellrum. I uppvärmningsläge håller ett centralvärmesystem grundvärmen, exempelvis genom att hålla rumstemperaturen vid cirka 17°C i ekonomiläge. Efter växling till komfortläge når fan coil-apparaten önskad komforttemperatur på bara några minuter. Fan coil-apparaterna i tomma rum förblir avstängda.

6.3.2.4 Fan coil-apparater med primärluft och induktionssystem Vid krav på stora luftväxlingar krävs distribution av förbehandlad uteluft (primärluft) till lokalerna. Primärluften distribueras i byggnaden via ett högtrycks- eller lågtryckskanalsystem och den kan avges i rummet, antingen via fan coil-apparater (Fig. 6-53) eller genom separata tilluftsdon (Fig. 6-54).

1

8

23 1

4 69

7

10

5

B17-34

Fig. 6-53 Fan coil-apparat med primärluft som tillförs via fan coil-apparaten 1 Uteluft 6 Rum 2 Avluft 7 Luftkonditioneringsaggregat för primär luftbehandling 3 Tilluft 8 Värmare 4 Sekundärluft (rumsluft) 9 Kylare 5 Fan coil-apparat 10 Alternativ distribution av primärluft

2

176

3

45

B17-35 Fig. 6-54 Fan coil-apparat med primärluft som tillförs direkt till rummet 1 Primärluft 5 Fan coil-apparat 2 Frånluft 6 Yttervägg 3 Tilluft 7 Innervägg 4 Sekundärluft (rumsluft)

I princip kompenseras värme- eller kyllasten i rummet eller zonen av lamellväxlaren i Fan Coil-apparaten. För att undvika att störa rumstemperaturregleringen, avges primärluften normalt i rummet med en konstant tilluftstemperatur.

Induktionssystemet är det vanligaste och mest använda luft/vattensystemet för efterbehandlingar. Det lämpar sig för samma användningsområden som ett fan coil-system med primärluft. Liksom fan coil-apparater, rymmer induktionsapparater de nödvändiga lamellväxlarna som värmer eller kyler inomhusluften. När induktionsapparater används finns dock inget behov av fläktar. Den centralt förbehandlade uteluften fördelas i byggnaden i form av primärluft via ett högtryckskanalsystem och matas till de enskilda induktionsapparaterna (Fig. 6-55).

Fan coil-apparater med primärluft

Induktionssystem




164


Istället för en fläkt har induktionsapparaterna en ljudabsorberande kammare försedd med munstycken. Primärluften sprutas med hög hastighet genom munstyckena in i en blandningskammare där negativt tryck genereras. Det negativa trycket gör att rumsluften sugs in (eller ”induceras”) i form av ”sekundärluft” och leds genom lamellväxlaren där den värms eller kyls efter behov (fig. 6-56).

Beroende på apparatens konstruktion är induktionsförhållandet för primär- till sekundärluft normalt mellan 1:2 och 1:4.

B17-36

1

910

6

3

5

87

4

2

Fig. 6-55 Induktionssystem 1 Uteluft 2 Frånluft 3 Tilluft 4 Sekundärluft (rumsluft) 5 Rum 6 Induktionsapparat 7 Luftkonditioneringsaggregat för primär luftbehandling 8 Primärluftkanal 9 Värmare 10 Kylare

3

2

6

1

5

4

B17-37 Fig. 6-56 Induktionsapparat 1 Primärluft 2 Sekundärluft (rumsluft) 3 Tilluft 4 Primärluftsanslutning 5 Induktionsmunstycken 6 Lamellväxlare

Lamellväxlaren försörjs med varm- eller kallvatten efter behov. I växlaren absorberar den inducerade sekundärluften erforderlig värme- eller kylenergi och blandas därefter med primärluften. Blandningen av sekundär- och primärluft avges sedan till rummet.




165


Eftersom primärluftsflödet endast utgör den delen av uteluften som behövs för luftväxling, behöver kanalerna bara dimensioneras för en fjärdedel till en femtedel av det flöde som behövs i ett luftburet system. Det innebär också att kanalsystemet blir mindre utrymmeskrävande. I induktionssystem extraheras frånluften i normalfallet inte direkt från de luftkonditionerade rummen. Den totala frånluften, som motsvarar primärluftvolymen, extraheras via överluftsdon från korridorer, förrådsrum, toaletter etc. Detta skapar ett lätt positivt tryck i de luftkonditionerade rummen, vilket förhindrar att luften från olika rum blandas.

I princip kompenseras värme- eller kyllasten i rummet eller zonen av lamellväxlaren i induktionsapparaten. För att undvika att störa rumstemperaturregleringen, avges primärluften normalt i rummet med en konstant tilluftstemperatur.

Induktionssystem för kyltak kan betraktas som en särskild typ av induktionsenhet.

3 3

5 52 21

4 4

B17-38 Fig. 6-57 Induktionsenhet för kylbafflar (FAREX-system) 1 Primärluftskanal 2 Munstycken för primärluft 3 Sekundärluft 4 Luftkylare 5 Tilluft

Induktionsenheter som är konstruerade som kylbafflar (fig. 6-57), avger primärluften och kyler rumsluften. Rummet värms med radiatorer, golvvärme eller konvektorer. Resultatet är idealisk dragfri ventilation, eftersom systemet fungerar baserat på luftens naturliga självcirkulation. Luften som värms i rummet, och därigenom blir lättare, stiger mot taket där den kyls och blandas med primärluft. Den sjunker sedan igen eftersom dess densitet nu ökat.

6.3.2.5 Hydraulisk anslutning av fan coil- och induktionssystem Den energi som krävs för uppvärmning och kylning av rummen försörjs uteslutande via de hydrauliska kretsarna. Varm- eller kallvattnet, som bereds i ett primärt system, överför sin värme- eller kylenergi till rumsluften via en fan coil-apparat (fläktkonvektor) eller en induktionsapparat.

När det gäller hydrauliska kretsar görs åtskillnad mellan 2-rörs-, 3-rörs- och 4-rörs-system. 2-rörssystemet (fig. 6-58) kan enbart användas för värmning eller kylning, eftersom samma hydrauliska krets används både för värmning och för kylning.

Systemet kopplas om från värme- till kylläge i det primära systemet för energiproduktion. Med 2-rörssystem kan det uppstå problem under övergångstiden mellan värme- till kylläge och vice versa, eftersom vissa rum kan behöva värmas medan andra måste kylas om värmelasterna varierar.

Induktionssystem för kyltak

2-rörssystem




166


4

1

2

3

7

7

56

B17-32 Fig. 6-58 Hydraulisk anslutning av ett 2-rörs fan coil-system 1 Sekundärluft (rumsluft) 2 Tilluft 3 Enhet för värmning och kylning av rumsluft 4 Rum 5 Värmare 6 Kylare 7 Omkopplingsventiler

3-rörssystemet har separata framledningskretsar för kall- och varmvatten och en gemensam returledning. Trots att detta löser problemet med samtidig uppvärmning och kylning blir energianvändningen mycket hög, eftersom den värmeenergi som finns i den gemensamma returen måste återkylas i kylaren och återvärmas i värmaren.

En smidig lösning på de problem som beskrivs ovan är 4-rörssystemet med två separata hydrauliska kretsar, en för uppvärmning och en för kylning.

3-rörssystem

4-rörssystem




167


6.4 Enhetsaggregat Enhetsaggregat är konstruerade för luftkonditionering av ett enskilt rum och monteras vanligtvis direkt i det aktuella rummet. Deras huvudfunktion är kylning av rumsluften. De har bara en begränsad kapacitet för avfuktning, uppvärmning och luftfiltrering och kan inte användas alls för luftfuktning. Dessa enheter är alltså partiella luftkonditioneringsenheter försedda med alla erforderliga komponenter, som kompressor, förångare, luft- eller vattenkyld kondensor, fläktar styr- och reglerutrustning samt säkerhetsutrustning. De levereras färdigmonterade. I den här gruppen finns:

– Fönsteraggregat – Konsolaggregat – Skåp-/rumsaggregat – Splitaggregat

6.4.1 Fönsteraggregat Fig. 6-59 visar ett fönsteraggregat och dess komponenter. Aggregatet monteras vanligtvis i en fönsteröppning. Den kan även installeras ”genom väggen”. Kylkapaciteten hos dessa enheter sträcker sig från 1 kW till 10 kW. Elektriska luftvärmare med låg kapacitet kan fås som tillbehör. Möjligheten till blandning med uteluft är begränsad. I fönsteraggregat med uppvärmnings- och kylfunktion (värmepumpar), kopplas systemet om från värmning till kylning genom att man byter riktning på köldmediets flöde med hjälp av en 4-vägsventil. Då verkar förångaren och kondensorn i omvänd riktning.

16

1444 °C

32 °C

15 °C

25 °C

3

4

2

1

15

10

8 9

5 5

6 11

13

7

B17-17

12 12

Fig. 6-59 Fönsteraggregat 1 Uteluft 9 Expansionsventil 2 Avluft 10 Köldmediekrets 3 Tilluft 11 Luftfilter 4 Återluft 12 Ventilationsgaller 5 Fläktar 13 Kondensvattenuppsamling 6 Förångare 14 Kåpa 7 Kompressor 15 Fönster 8 Kondensor 16 Rum

Rumsluften sugs in av en fläkt, den kyls och avfuktas delvis i förångaren och återförs sedan till rummet via ett utloppsgaller. Den erforderliga andelen utomhusluft kan justeras manuellt via ett internt spjäll. En andra fläkt suger in uteluft för att kyla kondensorn och avger den sedan utomhus igen. Kondensvattnet från rumsluten som samlas i förångaren tappas antingen av externt, eller sprutas på kondensorn där det förångas. Fönsteraggregat är alltså ett litet enhetskylsystem med en hermetiskt tillsluten kompressor och en luftkyld kondensor. Värmedynamiken i kylkretsen beskrivs i avsnitt 4, ”Kylteknik”.

Funktionsprincip




168


6.4.2 Konsolaggregat Fig. 6-60 visar ett konsolaggregat och dess komponenter. Denna enhet kan installeras permanent i rummet under ett fönster, eller så kan den flyttas runt i rummet på hjul.

Aggregat med inbyggda luftkylda kondensorer kan endast monteras på ytterväggar, eftersom en öppning i väggen är nödvändig för kondensorns uteluftsförsörjning. Hos mobila enheter är den luftkylda kondensorn placerad utomhus och den har då en slang som matar köldmediet till konsolaggregatet. Enheter med vattenkylda kondensorer kan installeras med fasta hydrauliska anslutningar eller som portabla enheter där vattnet ansluts via en slang.

Elektriska luftvärmare eller varmvattenluftvärmare kan installeras som tillbehör till dessa enheter. Konsolaggregat som klarar omkoppling mellan uppvärmning och kylning finns också på marknaden. Även i dessa enheter kopplas systemet om från uppvärmning till kylning via en 4-vägsventil, genom att köldmediets flödesriktning vänds.

5 6 7 8 9 10

132 4

Fig. 6-60 Konsolaggregat 1 Kompressor 2 Startkondensator 3 Kondensor 4 Hög-/lågtryckspressostat 5 Luftfilter 6 Förångare 7 Rumstermostat 8 Regulator 9 Fläkt 10 Justerbart utloppsgaller




169


6.4.3 Skåpaggregat (rumsaggregat) Som namnet anger är alla komponenter hos dessa enheter placerade i en skåps-liknande kåpa. Skåpaggregat är klara för anslutning och kan fås med en kylkapacitet på 10 till 250 kW. De monteras direkt i rummet som ska luftkonditioneras och kan avge luften fritt i det aktuella rummet. Ibland monteras de i ett angränsande rum och ansluts till ett kanalsystem för att undvika problem med buller.

Fläkten är konstruerad så att det statiska trycket är tillräckligt högt för att kompensera luftmotståndet från ett kort lågtryckskanalnät.

Skåpaggregat är vanligtvis försedda med inbyggda vattenkylda kondensorer. Det finns också varianter med luftkylda kondensorer. Den luftkylda kondensorn sitter inte i själva skåpet, utan placeras utomhus som en separat enhet.

Fig. 6-61 visar konstruktionsprincipen hos ett skåpaggregat. Principerna är de samma som hos konsolaggregat.

1

2

16

5

7 10 11

2

4

8

914

6

15

13

5

12

3

17

B17-19 Fig. 6-61 Funktionsprincip hos ett skåpaggregat 1 Uteluft 10 Köldmedieledning 2 Avluft 11 Kåpa 3 Tilluft 12 Ventilationsgaller 4 Sekundärluft 13 Spjäll 5 Fläktar 14 Luftfilter 6 Förångare 15 Elektrisk luftvärmare 7 Kompressor 16 Yttervägg 8 Kondensor 17 Rum 9 Expansionsventil




170


Minde skåpaggregat kan användas som luftkonditioneringsenheter för enskilda rum med eller utan kanalnät. Större enheter används vanligtvis för en grupp av rum eller för en zon. Exempel på vanliga användningsområden är kontor, skolsalar, butiker etc.

En specialversion av dessa skåpaggregat kan användas för avfuktning av luften i simhallar. Återluften kyls först och avfuktas i direktförångaren och därefter värms den upp i den inbyggda luftkylda kondensorn.

6.4.4 Splitaggregat Fig. 6-62 visar funktionsprincipen och komponenterna hos ett splitaggregat. Splitaggregat består av en kylteknisk del och en återluftsdel med en cirkulationsfläkt och en luftkylare. Den kyltekniska delen kan finnas utomhus eller i ett teknikutrymme, medan luftkonditioneringsdelen kan utgöras av en separat rumsenhet i det aktuella rummet eller av en central kylenhet som är ansluten till byggnadens kanalnät. De två delarna kopplas samman av köldmedieledningarna.

Splitaggregatets köldmediekrets består av en kompressor, en luftkyld kondensor, en expansionsventil och en luftkylare i form av en direktförångare. Om luftkylaren även måste användas för att avfukta luften, kan en luftvärmare monteras som eftervärmare i återluftenheten.

11

2 10

17

8

5

1213

36

9

14

4

B17-20 Fig. 6-62 Uppbyggnaden av ett splitaggregat 1 Uteluftintag 2 Luftutlopp 3 Tilluft 4 Återluft 5 Rum 6 Förångare 7 Kompressor 8 Kondensor 9 Expansionsventil 10 Köldmedieledning 11 Kylenhet 12 Återluftsenhet 13 Ventilationsgaller 14 Filter

Användning




171


6.5 Bostadsventilation Under senare år har energibehovet minskat i nya byggnader tack vare förbättrad isolering, bättre fönster och bättre konstruktion av byggnadens skal. Det har lett till att ventilationsförluster utgör en växande andel av det totala värmebehovet.

En minskning av energianvändningen, vilket krävs av standarder och bestämmelser i olika europeiska länder, kan uppnås med hjälp av lufttäta konstruktioner, fönster med energiglas och korrekt isolerade ytterväggar, golv och tak. Utan ordentlig luftväxling blir dålig luftkvalitet ett allvarligt problem, på grund av luftfuktighet, radon, organiska föreningar, formaldehyd och andra ämnen som avges från byggmaterial, möbler, armaturer etc.

Självdragsventilation med uteluftsintag vid fönster ger otillräcklig ventilation i täta och välisolerade byggnader, samt leder till onödigt höga energikostnader. Därför kan det vara lönsamt att installera ett ventilationssystem med värmeåtervinning.

Inomhuskomforten ökar dessutom när mekanisk ventilation installeras eftersom:

– störande utomhusbuller kan reduceras (inget behov av att öppna fönstren sommartid)

– tilluftstemperaturen kan hållas på en lämplig nivå – uteluften filtreras och är fri från smuts, damm, insekter och pollen när den kommer

in i rummet. Detta är en stor fördel för allergiker.

6.5.1 System för mekanisk bostadsventilation System för styrd mekanisk bostadsventilation kan klassificeras enligt följande:

• Rumsaggregat • Enskilda ventilationsaggregat (för en lägenhet) • Centrala ventilationssystem (för flerfamiljsbostäder) Ett system för mekanisk ventilation ska alltid innehålla ett värmeåtervinningssystem, annars blir det omöjligt att uppfylla de olika standarder och bestämmelser för energianvändning som gäller. Eleffektiva fläktar är en lika viktig faktor att ta hänsyn till, och det är inte möjligt med trefas växelströmsmotorer. Mindre ventilationsaggregat för bostäder förses därför ofta med likströmsmotorer. Rumsaggregat monteras direkt på ytterväggen eller på fönsterbänken. De är enkla att montera och förser rummet med filtrerad uteluft som förvärms med den värme som återvunnits ur frånluften. Nackdelarna med rumsaggregat är buller och ineffektiva fläktar.

Fig. 6-63 Rumsaggregat monterat på ytterväggen

Ett ventilationsaggregat installeras för varje lägenhet. Uteluften filtreras och värms via värmeåtervinningssystemet innan den leds ut till vardags- och sovrum. Frånluften sugs ut i kök, badrum och toaletter via överluft. De här systemen har ofta fläktar med möjlighet att välja hastighet, så att användaren kan anpassa luftvolymen efter behov. Med det här

Ventilationsförluster stor del av värmebehovet

Styrd mekanisk ventilation minskar värmebehovet

Begränsa elanvändningen

Rumsaggregat för enskilda rum

Enskilt ventilations-aggregat (för en lägenhet)




172


systemet uppstår inga problem med buller, eftersom själva ventilationsaggregatet kan monteras på en plats där det inte stör.

Vissa enskilda ventilationsaggregat är även försedda med värmepumpar. De kan återvinna värme ur frånluften och använda den för uppvärmning av huset och värmning av tappvatten.

Fig. 6-64 Enskilt ventilationsaggregat

I ett centralt ventilationssystem för flerfamiljsbostäder behandlas luften centralt och leds sedan till de enskilda lägenheterna. Det betyder att kanalsystemet kräver ett visst utrymme. En fördel med denna lösning är att fläktarnas mekaniska verkningsgrad blir mycket hög. Inget av de ventilationssystem för bostäder som beskrivs ovan kräver mycket underhåll, vid sidan av att filtren regelbundet måste bytas. Det kan vara ett problem i praktiken, särskilt när enheter för enskilda rum och individuella system används, eftersom inte alla användare utför denna uppgift regelbundet. I ett centralt ventilationssystem kan driftorganisationen göra detta.

Centralt ventilations-system för flerfamiljs-bostäder

Underhåll av ventilationssystem i bostäder




173


7 Mät- och reglerteknik 7.1 Introduktion Det här avsnittet innehåller basdefinitioner och beskriver basfunktioner, men för vidare studier av reglerteknik rekommenderar vi den Självstudie CD ”Automatic control in HVAC systems” som erbjuds av Siemens Building Technologies. Det är ett idealiskt program för självstudier.

Om du är intresserad av självstudie-CD:n ”Automatic control in HVAC systems”, kontakta ditt Siemenskontor. VILL DU VETA MER? Självstudier i ämnet reglerteknik finns i kompendiet ”Reglerteknik, Allmänna grunder” utgivet av Siemens AB BT, Utbildning

Självstudiekurs på CD




174


7.2 Mätning Begreppet ”mätteknik” täcker alla metoder och all utrustning som används för att empiriskt fastställa (dvs. för att mäta) numeriskt kvantifierbara storheter inom veten-skapen och tekniken. Mättekniken används också för att kontrollera att mättoleranser följs, för mätning av förbrukning, produktionsövervakning och allmänt (inom reglertekniken) för att styra tekniska processer baserat på uppmätta värden.

Det har varit en lång och besvärlig väg under tusentals år av människans historia, från det att de första försöken att fastställa längd och tid gjordes, till de mekaniska och elektroniska mätinstrument som används idag.

I dagens värld av byggnadsautomation och reglering samt administration, drift och underhåll av byggnader, är exakta mätningar av fysiska storheter av högsta vikt. De beslut som fattas rörande systemförändringar, eller påståenden om kostnader rörande energianvändning och byggnadsunderhåll, är alla beroende av att de registrerade mätvärdena är korrekta. I ett reglersystem är exakta mätvärden avgörande för en noggrann och stabil reglering. Valet av rätt mätutrustning är en tungt vägande faktor för att korrekt mätvärde ska erhållas, och de korrekta (tillförlitliga) mätvärdena är avgörande för välgrundade beslut.

De grundbegrepp som är förknippade med mättekniken definieras i DIN-standard 1319 och VDI/VDE26000, blad 2.

Det internationella enhetssystemet (SI-enheter) som vi använder idag (från franskans Système International d'Unité) utgör en tydlig struktur för de olika mätenheterna:

Storhet Enhet [Förkortning]

Definition

Temperatur Kelvin [K] 273,16-1 av temperaturen vid vattnets trippelpunkt

Längd Meter [m] Den sträcka som ljuset tillryggalägger i absolut vakuum över 299 792 458-1 sekunder

Tid Sekund [s] Varaktigheten av 9 192 631 770 perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna i grundtillståndet hos atomen cesium-133

Elektrisk ström Ampere [A] Den konstanta elektriska ström som ger upphov till en kraft om 2·10-7 Newton per meter mellan två raka ledare av oändlig längd med försumbart tvärsnitt placerade en meter ifrån varandra i absolut vakuum

Massa Kilogram [kg] Massan av SIS kilogramprototyp. Tidigare 1000cm3 vattens massa, vid 273,16K

Ljusstyrka Candela [cd] Ljusstyrkan i en given riktning från en källa som utsänder monokromatisk strålning med frekvensen 5,40·1014 hertz och vars strålningsstyrka i denna riktning är 683-1 watt per steradian

Substansmängd Mol [mol] Antal systemelement motsvarande antalet atomer hos isotopen 12C som ger massan 12g som medelvärde för antalet nukleoner som ger 1g.

De sju grundenheterna i SI-systemet

Härledda enheter formas genom att basenheterna multipliceras eller divideras. Exempel: Volym: kubikmeter (m3) Hastighet: meter per sekund (m/s) Densitet: kilogram per kubikmeter (kg/m3) Frekvens: hertz (Hz) cykler/s Kraft: newton (N) kg m/s2 Tryck: pascal (Pa) N/m2 Energi: joule (J) N m Effekt: watt (W) J/s Elektrisk spänning: volt (V) W/A Ljusflöde: lumen (lm) candela steriadan (rymdvinkel) Illuminans (belysning): lux (lx) lm/m2

Grundenheter

Härledda enheter




175


Ett prefix kombinerat med en enhet anger att enheten multipliceras med en faktor motsvarande en viss tiopotens. Den nya enheten kallas en multipelenhet. Det finns 20 standardiserade prefix. Valet av prefix görs med hänsyn till rent praktiska krav. I allmänhet bör prefixet väljas så att mätetalet ligger mellan 0,1 och 1000 och i första hand bör man välja sådana prefix som innebär en multiplikation med 1000 eller 1/1000.

Faktor Prefix Symbol 1024 yotta Y 1021 zetta Z 1018 exa E 1015 peta P 1012 tera T 109 giga G 106 mega M 103 kilo k 102 hekto h 101 deka da 10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 milli m 10-6 mikro µ 10-9 nano n 10-12 piko p 10-15 femto f 10-18 atto a 10-21 zepto z 10-24 yokto y

Mätning är processen för att fastställa en fysisk storhet (den uppmätta storheten) till exempel temperatur, luftfuktighet, tryck med rätt mätutrustning och visa den som en känd och jämförbar storhet, eller konvertera den till en standardsignal t.ex. 0 … 10 V, 4 … 20 mA

De tre vanligaste mätelementen för temperaturmätning i byggnadsautomationssystem är: Resistansgivare Termistorgivare Termoelementgivare Resistansgivarna bygger på principen att elektriska ledares resistans ändras med temperaturen. De vanligaste grundmetallerna är Nickel [Ni] och Platina [Pt]. Termistorgivarna bygger på samma princip, men istället för att använda en elektrisk ledare används en halvledare eller blandningar av metalloxider. Termoelementgivarna består av två metalltrådar av olika material med en gemensam lödpunkt. Kretsen alstrar en elektromotorisk kraft (EMK), dvs. en spänning som normalt ligger mellan 0-100mV.

Exempel på resistansgivare Exempel på termistorgivare Exempel på termoelementgivare

Multipelenheter

Mätning

Temperaturmätning

Resistansgivare

Termistorgivare

Termoelementgivare




176


7.2.1 Mätelement Resistansgivare nickel LG-NI 1000

Resistansgivare Platina Pt 100

Resistansgivare Platina Pt 1000

Termistorgivare NTC Negative Temperature Coefficient LG-NTC 575

Termistorgivare PTC Positive Temperature Coefficient LG-T1

R Motståndsvärde i Ohm ϑ Temperatur i grader Celsius, betecknas enligt standard med t Δϑ Temperaturdifferens i Kelvin, betecknas enligt standard med ΔT




177


7.3 Styrning En ladugård (Fig. 7-1) ventileras på ett sådant sätt så att när utetemperaturen faller, så tillförs en ökande mängd återluft och volymen av uteluften reduceras i motsvarande utsträckning. Automatisk styrning kan användas för att driva spjället för uteluft/återluft så att uteluftskanalen stängs av allt mer när uteluftstemperaturen faller.

I det här fallet måste styrningen (2) beräkna spjällets position baserat på den uppmätta uteluftstemperaturen (1) och sända rätt styrsignal till ställdonet som driver spjället för uteluft/återluft (3).

Fig. 7-1 Exempel på automatisk styrning

1 Utetemperaturgivare 2 Styrutrustning 3 Spjäll för uteluft/återluft 4 Fläkt 5 Rumstemperatur z Störstorheter (t.ex. sol, vind etc.)

Styrningen arbetar i enlighet med uteluftstemperaturen och får ingen återföringsinformation om den aktuella rumstemperaturen. Vid en given utetemperatur är därför spjället för uteluft/återluft inställt i exakt samma position, oavsett om solen lyser rakt på ladugården och oavsett hur många djur som finns i den. Med detta styrsystem är det inte möjligt att hålla rumstemperaturen vid ett konstant värde, utan enbart inom ett givet intervall.

7.3.1 Begrepp rörande styrning Avsiktlig påverkan. En eller flera ingångsstorheter (ärvärden) i en styrprocess påverkar utgångsstorheterna (styrsignaler) utan hänsyn till återföring (ärvärde), baserat på systemets interna karakteristik. En styrning kan även vara manuell. Utrustning som påverkar den styrda processen i enlighet med styrområdet. Fysisk storhet (temperatur, luftfuktighet etc.) som påverkas av styrsystemet.

Styrning

Styrutrustning

Styrd storhet

2

1

3 4

5




178


7.4 Reglering Styrprocesser finns inte enbart inom tekniken, utan även i naturen och i vårt dagliga liv. I samtliga fall är utgångspunkten ett specifikt önskat tillstånd (börvärde) jämfört med det faktiska aktuella tillståndet (ärvärde). Om det inte finns någon skillnad (avvikelse) mellan de båda tillstånden är situationen tillfredsställande, och det finns inte något behov av att försöka ändra det faktiska tillståndet. Om det finns en skillnad söker man däremot efter sätt att eliminera avvikelsen.

Personen som befinner sig i ett rum (Fig. 7-2) vill ha en rumstemperatur på 20°C (börvärde), men ser på termometern att den aktuella rumstemperaturen är 24°C (ärvärde).

Problemet är avvikelsen mellan ärvärdet (x = 24°C) och börvärdet (w = 20°C). I det här fallet uppgår avvikelsen till (x-w = 24 - 20) 4 K (Kelvin). För att sänka rumstemperaturen till 20°C, måste personen i rummet känna till en metod för att sänka värmeuteffekten från radiatorn (i det här fallet innebär det att manuellt justera radiatorventilen) och därefter måste personen förstå om ventilen ska öppnas eller stängas. När personen har stängt ventilen något kommer han att titta på termometern med jämna mellanrum och justera radiatorventilen tills rumstemperaturen är 20°C.

Fig. 7-2 Exempel på manuell styrning

w Börvärde, önskad temperatur (t.ex. 20°C) x Visning av ärvärde, rumstemperatur (t.ex. termometer 24°C) y Manuell ventil för styrning av värmeuteffekten z Störstorheter (t.ex. sol, vind etc.)

Denna process (Fig. 7-3), som utförs av en människa, är en manuell styrprocess. Personen i rummet läser av temperaturen, x, från termometern, jämför den med det önskade börvärdet, w, noterar skillnaden och funderar över hur den ska korrigeras. Personen korrigerar sedan ventilpositionen, y. Rumstemperaturen ändras och kan avläsas på nytt. En reglertekniker kallar denna process ”manuell styrning”.

Minimera avvikelser

Exempel manuell styrning Endast för utvärdering



179


Fig. 7-3 Manuell styrning (jämförelse mellan faktiska och önskade värden)

I ett reglersystem (Fig. 7-4), utför reglerutrustningen mätning, jämförelse och korrigering. En givare (1) mäter rumstemperaturen, x, och sänder den till regulatorn (2). Regulatorn jämför det uppmätta värdet med det inställda börvärdet, w, och sänder en relevant styrsignal, y, till radiatorventilen (3). Justeringen av ventilen medför en ändring av rumstemperaturen som mäts av givaren.

Inom reglersystemet registrerar rumstemperaturgivaren alla regleravvikelser. Om rumstemperaturen stiger till följd av störningar, z, till exempel:

Yttre störningar

- utetemperaturförändring - solstrålning - vind

Inre störningar

- tillskottsvärme i rummet - elektrisk utrustning - antal människor

ändras värmeventilens läge tills den önskade temperaturen har nåtts igen.

Fig. 7-4 Exempel på reglering 1 Rumstemperaturgivare 2 Regulator 3 Radiatorventil z Störstorheter (t.ex. utetemperatur, sol, vind, personer, elektrisk utrustning etc.)

Reglersystem

21

3




180


Skillnaden mellan styrning och reglering kan påvisas med ett system för blandning av uteluft/återluft. Fig. 7-5 visar till vänster styrning av den blandade luften via uteluftstemperaturen. Alla temperaturvärden för uteluft som mäts av givaren (1) motsvarar en specifik position hos spjället efter en utsignal från styrutrustningen (2). Temperaturen hos den blandade luften ändras i motsvarande utsträckning, men den nya temperaturen återkopplas inte tillbaka till styrutrustningen.

Fig. 7-5 visar till höger reglering av den blandade luften. Börvärdet, w, för temperaturen hos den blandade luften ställs in på regulatorn (4). I reglerutrustningen jämförs det uppmätta värdet, x, som registrerats av givaren (3) med börvärdet, w. Vid eventuella avvikelser justerar regulatorn spjällets position tills temperaturen hos den blandade luften är lika med det inställda börvärdet.

Fig. 7-5 Styrning av temperaturen hos den blandade luften (vänster); reglering av temperaturen hos den blandade luften (höger) 1 Utetemperaturgivare 2 Styrutrustning 3 Temperaturgivare för den blandade luften 4 Reglerutrustning w Börvärde för den blandade luften x Ärvärde för den blandade luften y Styrsignal

Den vanligaste typen av värmereglering i bostäder, utetemperaturkompenserad framledningstemperaturreglering, är en kombination av styrning och reglering. Fig. 7-6 visar principen för detta kombinerade system.

Fig. 7-6 Utetemperaturkompenserad reglering av framledningstemperaturen 1 Utetemperaturgivare 2 Styrning med värmekurva (sänder börvärdet w till regulatorn (3)) 3 Regulator 4 Styrventil x Framledningstemperatur z Störstorheter (t.ex. panntemperatur, vattnets flödeshastighet, temperatur returledning radiatorer )

Jämförelse mellan styrning och reglering

Kombination av styrning och reglering av ett värmesystem

tU

R

1

2

3

4 x

3 2w

x

y

4

z

t

1




181


Utetemperaturgivaren (1) sänder den uppmätta signalen till styrsystemet (2). Med utgångspunkt från den inställda styrkurvan, beräknar styrutrustningen den framledningstemperatur som behövs för att uppnå en (minimi-)rumstemperatur på t.ex. 20°C vid den aktuella uteluftstemperaturen. En rumstemperatur på minst 20°C önskas, men denna temperatur mäts inte av någon givare och den justeras inte heller av någon regulator. Solstrålning, värme som genereras av elektrisk utrustning eller ett stort antal människor kan få rumstemperaturen att stiga över det värde som beräknats, eller – om fönster öppnas – sjunka under det beräknade värdet. Detta är ett styrsystem för rumstemperaturen.

Som nämnts tidigare beräknar styrsystemet (2) börvärdet, w, för den regulator av framledningstemperaturen som finns i reglersystemet (3). Regulatorn jämför den faktiska, uppmätta framledningstemperaturen, x, med börvärdet, w. Baserat på differensen (x-w) beräknar regulatorn sedan styrsignalen, y, som får ställdonet (4) att justera styrventilen så att framledningstemperaturen är lika med börvärdet. Eftersom framledningstemperaturen mäts kontinuerligt, och det uppmätta värdet hela tiden matas tillbaka till regulatorn, är det en framledningstemperaturreglering.

7.4.1 Begrepp kring reglering (enligt definitionen i DIN 19226) Givarens placering, dvs. där reglerstorheten (ärvärdet) mäts. Enhet som registrerar värdet för den avlästa storheten (ärvärde). Det nuvarande värdet hos den reglerade storheten x som mäts av givaren. Den fysiska storhet (temperatur, luftfuktighet etc.) som mäts i reglersystemet och som ska hållas, dvs. regleras till ett visst värde eller en viss mängd. Den reglerade storheten är utgångsstorheten från objektet och ingångsstorheten för regulatorn. Instorheten till reglersystemet. Referensstorheten fastställer det aktuella börvärdet. Extern storhet som påverkar regleringen och har en oönskad inverkan på den reglerade storheten, t.ex. extern tillskottsvärme, solstrålning etc. Differens mellan referensstorhet w (börvärde) och reglerad storhet x (ärvärde) uttryckt i enheter av den reglerade storheten: e = x-w Ett annat vanligt begrepp för felstorheten är regleravvikelse x-w Syftet med regleringen är att föra en fysisk storhet (reglerad storhet x) till ett angivet värde (referensstorhet w) och behålla den vid detta värde oavsett eventuella störstorheter z. För att uppnå detta måste den reglerade storheten x kontinuerligt mätas, jämföras med referensstorheten w och anpassas.

Styrsystemet i värmesystemet

Reglersystemet i värmesystemet

Mätpunkt

Givare

Ärvärde x

Reglerstorhet x

Referensstorhet w

Störstorhet z

Felstorhet e

Reglering




182


Utrustningen som utför regleringen inom processen, dvs. mäter differensen mellan det faktiska och det önskade värdet på den reglerade storheten och därefter ställer in styrsignalen så att avvikelsen elimineras.

– Ingångsstorhet: Reglerstorhet x – Utgångsstorhet: Ställstorhet y

Styrsignal, storhet som kan justeras av regulatorn och som, i sin tur, påverkar värdet hos den reglerade storheten (t.ex. ventilens lyfthöjd). Ställstorheten är både utgångsstorheten från regulatorn och ingångsstorheten för objektet. Justerar styrutrustningen i den angivna riktningen i enlighet med utgångssignalen från regulatorn (t.ex. elmotor, elektromagnetiskt ställdon).

Enhet (exempelvis en ventil) som installeras i styrningen för att styra flödet av energi eller annan mängd. Punkten i reglersystemet där energiflödet påverkas (ställdon och styrelement) Systemet som ska regleras, dvs. den del av styrningen där reglerstorheten x ska hållas vid ett konstant värde trots eventuella störstorheter. Objektet börjar vid styrpunkten (där styrelementets funktion utförs) och slutar vid mätpunkten (där reglerade storheten mäts). Det består alltså av styrelementet, de olika delarna av anläggningen (t.ex. rörledningar, värmeväxlare, rum etc.) och givaren.

– Ingångsstorhet: Ställstorhet y – Utgångsstorhet: Reglerstorhet x

Reglerutrustning

Ställstorhet y

Ställdon

Styrelement

Styrpunkt

Objekt




183


7.5 Byggnadsautomationssystem Begreppet byggnadsautomationssystem syftar på central administration, övervakning och optimering av byggnadstekniska installationer med ett datorbaserat system för byggnadsautomation och reglering. Byggnadsautomationssystem installeras i kontorsbyggnader, shoppingcentra, sjukhus, järnvägsstationer, flygplatser etc., där komplexa elektriska och mekaniska anläggningar samverkar på ett sätt som gör att det finns goda möjligheter att optimera både byggnadsprestanda och energianvändning (Fig. 7-7). Moderna byggnadsautomationssystem påverkar även mät- och reglertekniken i dessa installationer. Detta uppnås genom att avancerade styr- och reglerfunktioner tillämpas med programmerbar DDC-teknik (Direct Digital Control).

Fig. 7-7 Byggnader med olika typer av driftteknisk utrustning (hissar, belysning, rördragningar, kylning, ventilations- och luftkonditioneringssystem, säkerhets- och larmsystem, etc.), som samordnas och drivs vid med maximal effektivitet av ett byggnadsautomationssystem.

Byggnadsautomationssystem har en hierarkisk struktur och är indelat i minst följande tre nivåer:

• Informationsnivå • Automationsnivå • Fältnivå 1 2 3 Fig. 7-8 Hierarki i ett byggnadsautomationssystem 1 Informationsnivå 2 Automationsnivå 3 Fältnivå




184


Informationsnivån med ett övervakningsprogram och den in- och utgångsutrustning som krävs för drift och övervakning (t.ex. arbetsstationer och skrivare för larm, rapporter och grafik).

På informationsnivån sker hantering, övervakning och samordning av de underliggande nivåerna. Här utförs funktioner som: • Start, stopp och börvärdesändringar • Överföring av meddelanden om drift, fel och larm • Optimering av energianvändningen inom systemet • Analys och visning av mät- och driftdata Databearbetningen ger bl.a. uppgifter om energianvändning, felstatistik och information för underhållsadministration.

Automationsnivån reglerar och övervakar drifttekniken i elektriska och mekaniska anläggningar. Driften på den här nivån är i stor utsträckning autonom, vilket innebär att driften av systemen löper vidare utan avbrott vid eventuella fel på informationsnivån. Under dessa förhållanden fungerar dock inte systemövergripande optimerings-funktioner.

Maskinvaran på automationsnivån finns normalt i apparatskåp placerade i teknikutrymmen och har lokala manövreringsmöjligheter. Modulära in-/utgångsenheter (I/O-moduler) representerar kommunikationsgränssnittet mellan processregulatorerna och mät-, positionerings-, kopplings- och signaleringsutrustningen på fältnivån. In- och utgångssignalerna (I/O) bearbetas av processregulatorerna och skickas enbart till informationsnivån vid behov.

Binära signaler (på/av, 1/0, hög/låg etc.) kan bearbetas direkt, medan analoga signaler (elektrisk resistans, spänning, ström eller tryck) måste omvandlas för ingångssignaler till digitala signaler med analog/digital-omvandlare (A/D) eller för utgångssignaler till analoga signaler med digital/analog -omvandlare (D/A).

På automationsnivån utförs funktioner som: • Mätning, styrning och reglering • Omkoppling, signalering och räkning • Optimering • Övervakning • Manövrering • Förregling På fältnivån finns mät-, positionerings-, kopplings- och signaleringsutrustning för de drifttekniska systemen samt styrningen för det enskilda rummet eller den enskilda zonen. I de drifttekniska systemen identifieras den aktuella driftstatusen via givare och den modifieras med hjälp av ställdon. I praktiken omfattar det:

• Insamling via givare av mätvärden som temperatur, tryck, volym, luftfuktighet eller räknarimpulser.

• Manövrering av motorer och elektriska värmare via styrdon. • Överföring av signaler som indikerar brytarläget hos övervakningsutrustning såsom

rökdetektorer, termostater, vakter. • Positionering av ventiler och spjäll via ställdon. På fältnivån finns även utrustning för driftteknik i enskilda rum. På den här nivån regleras enskilda rums- eller zontemperaturer direkt via styrsignaler från regulatorerna, t.ex.

– Radiatorventiler – Värme- och kylventiler i fan coil- eller induktionsapparater – Flödesregulatorer i VAV-anläggningar – Blandningsspjäll i tvåkanals blandningsboxar

Informationsnivå

Automationsnivå

Fältnivå




185


Byggnadsautomationssystemet kan justera börvärden eller läsa ändrade storheter i en mängd processer och använda denna information för att fastställa den totala laststatusen i värme-, kyl- och luftkonditioneringssystemen. Det möjliggör lasthantering i den primära värme- och kylinstallationen.

Inom byggnadsautomationssystemet, utbyts data via LAN (Local Area Network), WAN (Wide Area Network) och/eller en systemspecifik databuss med olika form (t.ex. linje, stjärna, ring eller träd), beroende på befintlig infrastruktur, systemstorlek, överföringshastighet, framtida möjlighet till utökning, driftstabilitet, etc.

Följande principer gäller för datautbytet:

– Data kan utbytas horisontellt (dvs. på samma nivå) eller vertikalt (mellan nivåer).

– Varje nivå drivs med de data som är tilldelade denna nivå. – Data som ska överföras till högre nivåer måste först komprimeras eller

reduceras till grunduppgifter. Genom att konsekvent följa dessa principer överbelastas inte en nivå med data från en annan nivå, vilket skulle leda till långsammare bearbetning och längre responstider.

Bussystem för byggnadsautomation och reglering måste uppfylla bl.a. följande krav:

• Överföring av data som omfattar allt från enkla händelser till komplexa datastrukturer.

• Integration av identiska och olika system på den nivå som är mest fördelaktig. • Anslutning till kundens befintliga infrastruktur (LAN, WAN). • Central drift och övervakning, men även lokal flexibilitet. • Minimering av installations- och underhållskostnader. • Fjärrövervakning. • Effektiv nätverksbildning av ett stort antal operatörsstationer över långa avstånd. • Flexibel installationsteknik. Dessa krav kan bara uppfyllas med standardbussystem. Fler än ett bussystem krävs för att uppfylla alla behov.

Det finns numera branschstandarder för dataöverföring och kommunikationssystem. Sammanfattningen nedan visar statusen för standardiseringen i Europa (CEN TC247).

Protokoll Standard

BACnet EN ISO 16484-5 och -6

LonWorks EN 14908-1 … -4

KNX EN 50090-3-2; 4-1; 4-2; 5-2; 7-1

EN 13321-1 och -2




Byggnads- automationens grunder - siemens.se grunder_v1.1.pdf · Boken går att beställa från . 9...

Documents

Transcript of Byggnads- automationens grunder - siemens.se grunder_v1.1.pdf · Boken går att beställa från . 9...