Fagartikkel: Mål: energioptimal behovsstyrt ventilasjon

Bildet: Seniorforsker ved SINTEF Byggforsk / Professor II ved HiOA, Mads Mysen

11.12.13: Riktig utført kan behovsstyring mer enn halvere energibruken til ventilasjon. Hvilke systemløsninger gir maksimalt inneklima med minimal energibruk?

Publisert: 11 Des 2013

11.12.13: Riktig utført kan behovsstyring mer enn halvere energibruken til ventilasjon. Hvilke systemløsninger gir maksimalt inneklima med minimal energibruk?

Av Mads Mysen, SINTEF Byggforsk og Peter G. Schild, HiOA

Bakgrunn:
- Behovsstyring med energioptimalisering må spesifiseres! Det er prinsipielt forskjellige systemløsninger som påvirker funksjon og energibruk. Denne artikkelen gir en rask innføring i regulering av ulike DCV- systemløsninger.
Vi anbefaler enten trykkoptimalisert eller spjeldoptimalisert regulering som distribuerer ventilasjonsluften i henhold til et målt behov på en presis og energioptimal måte. (Les også)

Grunnleggende om regulering av DCV-systemer
DCV står for Demand Controlled Ventilation og omfatter ventilasjonssystemer der tilført ventilasjonsluftmengde reguleres automatisk i forhold til et samtidig målt behov på romnivå. Det vil si at DCV må ha en romsensor som gir et mål på romluftens kvalitet og dette signalet må brukes til å regulere luftmengden i forhold til ønsket kvalitetsmål.

DCV-spjeldet er hovedkomponenten for å regulere luftmengden i et DCV-system. DCV-spjeld betegnes også VAV-spjeld, og er et motorspjeld med automatikk for struping og innebygd måling av enten lufthastighet eller differansetrykk. Et DCV-spjeld kan måle, sammenligne den målte verdien med ønsket verdi og regulere. Se figur 1 for komponenter som inngår i et DCV-spjeld.

Figur 1. Komponenter tilknyttet et DCB-spjeld. (Kilde: Belimo)

DCV-spjeld har et arbeidsområde som går fra valgt minimum til valgt maksimum luftmengde. De ytterste grenseverdiene er fastsatt av produsent for hver spjelddimensjon. Ønskede grenseverdiene for minimum luftmengde og maksimal luftmengde som skal gjelde når spjeldet er i bruk, må ligge innenfor yttergrensene og programmeres i DCV-enhetens elektroniske styringsenhet (regulator). Dette skjer normalt ved innregulering, men grenseverdiene kan også forhåndsstilles av produsent.

DCV-spjeld kan brukes til trinnløs regulering av luftmengde, for eksempel ved regulering via CO2-sensorer, der man ønsker en gradert tilførsel av frisk luft. Men DCV-spjeld kan også brukes til regulering mot to luftmengder, for eksempel ved regulering via tilstedeværelsessensor der man ønsker maksimal luftmengde når rommet er i bruk og minimal luftmengde når rommet ikke er i bruk. Bruk av DCV-spjeld sikrer at luftmengden blir riktig, eller gir mulighet for alarm ved avvik. DCV-spjeldet gir også mulighet for en gradert temperaturregulering mellom min. og maks. Det er viktig å merke seg at noen enklere VAV-systemer mangler denne viktige måle- og tilbakemeldingsfunksjonen.

Anbefalt arbeidsområde for et DCV-spjeld er mellom 30 % og 80 % åpning. Den øvre grensen er gitt av behovet for minimum ventilautoritet. Ved for liten ventilautoritet blir reguleringen upresis og spjeldmotorene utsettes for unødvendig slitasje på grunn av pendling. Den nedre grensen sikrer at spjeldet jobber i et gunstig reguleringsområde med lite støygenerering.
I et fullverdig DCV-system vil struping ved DCV-spjeld bli meldt tilbake til viften og føre til en reduksjon av turtallet ved viftemotoren og følgelig reduksjon av energibruk til viftedrift. Dette kan enten skje direkte ved å regulere viftepådraget etter spjeldstillingene, eller indirekte ved å regulere viftepådraget etter kanaltrykket som spjeldstillingene påvirker.

Reguleringsprinsipper:
Konstant-trykk-regulering
(Figur 2 viser konstant-trykkregulert ventilasjon som er det vanligste DCV-prinsippet.)
DCV-spjeldene regulerer ventilasjonsmengden til rommene i forhold verdiene rapportert fra CO2- og temperatursensorene i hvert rom. Endret luftmengdebehov gir endret spjeldstilling som påvirker statisk trykk i kanalen. Ved trykkregulering er det normalt plassert trykksensor i hovedgren i kanalnettet. Denne trykksensoren skal registrere endring i statisk trykk som følge av endret luftmengdebehov i anlegget. Trykksensoren er koblet til en regulator. Regulatoren er programmet til et bestemt trykk (referansetrykket) som ønskes opprettholdt ved trykksensoren. Regulatoren tar imot informasjon om trykket ved trykksensoren og sørger for, ved hjelp av en turtallsregulerbar vifte, konstant trykk ved trykksensoren.

Når DCV-spjeld åpner, faller trykket i kanalen. Regulatorens gir da beskjed til viften om å øke luftmengden inntil referansetrykket i kanalen igjen er nådd. Når DCV-spjeldet stenger, øker trykket i kanalen. Regulatoren gir da beskjed til viften om å redusere luftmengden slik at trykket i kanalen reduseres til referansetrykket.

Figur 2. Konstant-trykk-regulering. Viftepådrag styres av trykksensor i kanal.

Ved trykkregulering innfører man et konstantledd i ligningen (k1) som i praksis gjør at man regulerer ned luftmengden ved å innføre spjeldstruping ved dellast.

1)

Anleggstrykkfallet varierer med kvadratet av luftmengden hvis man ikke påvirker strupingen i anlegget, det vil si at k1 er 0 i anlegg som ikke har konstant trykkregulering.
Vifte-effektforbruket er proporsjonalt med produktet til anleggstrykkfall og luftmengde:

2)

Man kan minimere "energi-straffen" ved å plassere trykksensorene så langt ut i anlegget som reguleringsteknisk mulig. En slik plassering, i kombinasjon med riktig innregulering, gjør at konstantleddet k1 blir minimalt. Dessverre finner vi mange slike anlegg med trykksensoren plassert nær viften. Dette gir høyt konstantledd (k1) med tilhørende unødvendig energisløsing. I tillegg er dette ofte en reguleringsteknisk dårlig plassering fordi sensoren ikke fanger opp mindre trykkendringer forårsaket av endret spjeldstilling på romnivå.

Uten grenspjeld må hvert DCV-spjeld være i stand til å kompensere for trykkvariasjoner i forhold til hele anlegget. Kraftig struping ved enkelte spjeld vil kunne forårsake støy. I praksis blir dette en økende utfordring med størrelsen på anlegget og antall rom som blir dekket av samme system. I større anlegg er konstant-trykk-regulering med sonespjeld på hver gren en mer robust løsning. En slik løsning er vist i figur 3. Hver sone har et motorisert reguleringsspjeld styrt av et 0-10 V signal fra en trykkgiver. Dette reguleringsspjeldet reguleres i forhold til å holde et konstant trykk ved trykksensor.

Figur 3. DCV med konstant-trykk-regulering med sonespjeld.

Viftepådraget styres av trykksensor i hovedkanal. Energi "straffen" ved å ha konstant trykkstyring av hver sone kan bli liten hvis trykk-settpunktet kommer ned mot minimumstrykket for DCV-spjeldene. Denne løsningen sikrer tilstrekkelig minimumstrykk i anlegget i forhold til DCV-spjeldenes trykkbehov. I tillegg kan de trykkstyrte spjeldene strupe hvis kanaltrykket blir for høyt i forhold til DCV-spjeldenes arbeidsområde.

Tillufts- og avtrekksviften bør trykkreguleres uavhengig av hverandre.

Trykkregulering kan brukes i et blandet system med innslag av både faste reguleringsspjeld og DCV-spjeld. Dette innebærer at trykksensor må plasseres slik at trykket er stabilt foran de faste reguleringsspjeldene.

Trykkoptimalisert regulering
Figur 4 viser trykkoptimalisert regulering som er en kombinasjon av trykkregulering og spjeldregulering. Hver sone har et motorisert reguleringsspjeld styrt av et 0-10 V signal fra en trykkgiver. Dette reguleringsspjeldet reguleres i forhold til å holde et konstant trykk ved trykkgiver. En styreenhet leser av reguleringsspjeldenes spjeldvinkel og regulerer trykk-sett-punktet på hovedkanalene, og dermed viftepådraget, i forhold til at minst et av reguleringsspjeldene er i maksimal åpen posisjon, som tilsvarer cirka 80-85 % åpningsgrad.

Figur 4. Trykkoptimalisert regulering. Viftepådrag styres av trykksensor i hovedkanal, men trykksettpunkt blir regulert av styreenheten slik at minst reguleringsspjeld er i maksimal åpen posisjon.

Energi "straffen" ved å ha konstant trykkstyring av hver sone blir liten hvis trykk-settpunktet kommer ned mot minimumstrykket for DCV-spjeldene. Denne løsningen sikrer tilstrekkelig minimumstrykk i anlegget i forhold til DCV-spjeldenes trykkbehov samtidig som man unngår å bruke energi på å bygge opp unødvendig høyt kanaltrykk. I tillegg kan sonespjeldene strupe hvis kanaltrykket foran DCV-spjeldene blir for høyt.

Ved trykkoptimalisert regulering kan man ha trykkgivere nærmere aggregatet enn ved konstant-trykk-regulering, jamfør figur 3 og figur 4.

Spjeldoptimalisert regulering
Spjeldoptimalisert regulering betyr å regulere hovedluftmengdene i forhold til spjeldposisjonene slik at minimum et DCV-spjeld er i maksimal åpen posisjon (Figur 5). Formålet er å sikre minimum behov for vifteenergi gjennom minimum trykkoppbygging over viften. Dette oppnår man hvis en kanalvei (kritisk vei) alltid er åpen. Ved spjeldposisjonsregulering registreres luftmengdebehov, levert luftmengde og spjeldvinkel for alle DCV-spjeldene. Denne informasjonen går til en styringsenhet som regulerer viftepådraget.

Figur 5. Spjeldoptimalisert regulering – prinsippskisse uten grenspjeld.

Styringsenheten kan bestå av en egen dedikert enhet til formålet eller inngå i SD-anlegget. Styringsenheten har et innebygdt program som til enhver tid finner romspjeldet som har det største luftbehovet i form av avlest spjeldvinkel. Siden luftmengde måles kontinuerlig ved hvert spjeld er det til enhver tid mulig å beregne forholdet mellom målt luftmengde og ønsket luftmengde. Romspjeldet som har lavest forholdstall mellom målt og ønsket luftmengde, samt størst spjeldvinkel ligger langs den kritiske veien. Dette spjeldet beholder størst spjeldvinkel. Videre justeres de andre spjeldene i forhold til den kritiske veien. Spjeldposisjonsregulering består med andre ord av en kontinuerlig innregulering av ventilasjonsanlegget.

Når styringsenheten består av en egen komponent utenom SD-anlegg, er det som regel en begrensning i antall spjeld som kan kobles til komponenten og man må koble flere enheter sammen. For større anlegg kan systemet bygges hierarkisk med grenstyringsenhet, hovedstyringsenhet og SONE-VAV-spjeld som vist i figur 6. DCV-spjeld innenfor samme sone og tilhørende SONE-VAV kobles til samme grenstyringsenhet. Denne grenstyringsenheten registrerer luftmengdebehov, levert luftmengde og spjeldvinkel for alle DCV-spjeldene og gir signal til SONE-VAV om å regulere spjeldåpningen i forhold til at et DCV-spjeld i sonen er i maksimal åpen posisjon.

Figur 6. Spjeldoptimalisert regulering. Prinsippskisse med grenspjeld og sentrale avtrekk.

På samme måte regulerer hovedstyringsenheten viftepådraget slik at en SONE-VAV er i fullt åpen stilling.
Det er også mulig å programmere spjeldstyring selv i bygningens PLS-enhet og unngå gren- og hovedstyringsenheter.

Aktive tilluftsventiler
Bruk av aktive tilluftsventiler er en variant av spjeldoptimalisert regulering hvor DCV-enhetene er integrert i tilluftventilen. Figur 7 viser prinsippskisse hvor aktive tilluftsventiler styres av en styringsenhet (PLS) og kommunikasjon via buss.

Figur 7. Prinsippskisse hvor aktive tilluftsventiler styres av en styringsenhet.

Denne styringsenheten registrerer luftmengdebehov, levert luftmengde og spjeldvinkel for alle DCV-spjeldene og regulerer viftepådraget slik at en aktiv tilluftsventil er i maksimal åpen posisjon på tilluftssiden og et DCV-spjeld er i maksimal åpen posisjon på avtrekkssiden. Det er også mulig å bruke trykkoptimalisert regulering som vist i figur 4.

Det inntegnede motorstyrte spjeldet skal sikre at trykket ikke kommer utenfor arbeidsområde til AT' ene. Dette spjeldet skal normalt stå i helt åpen stilling og kun strupe hvis kanaltrykket blir for høyt i forhold til arbeidsområdet til AT'ene. Dette kan oppstå i avgreningene nærmest viften i større anlegg.

Oppsummert:
Ventilasjonsanlegget primære oppgave er å distribuere riktige mengder ventilasjonsluft i forhold til behovet. Det er forskjellige DCV-systemer som gjør dette, men vi anbefaler enten trykkoptimalisert eller spjeldoptimalisert regulering fordi systemene kan regulere og fordele luftmengdene tilnærmet energioptimalt.
FoU-prosjektet reDuCeVentilation (Reduced energy use in Educational buildings with robust Demand Controlled Ventilation, 2009 – 2013) skal bidra til velfungerende og energioptimal behovsstyrt ventilasjon i undervisningsbygg. Resultatene blir presentert på et sluttseminar 19.november. Informasjon og invitasjon finner du på: www.sintef.no/Projectweb/reDuCeVentilation/