Fagartikkel ventilasjon: Bedre behovsstyring med bedre krav

Bildet: Seniorforsker ved SINTEF Byggforsk / Professor II ved HiOA, Mads Mysen (Foto: Privat)

26.11.13: Riktig utført kan behovsstyring mer enn halvere energibruken til ventilasjon. Hvilke krav skal man stille for å få maksimalt inneklima med minimal energibruk?

Publisert: 27 Nov 2013

26.11.13: Riktig utført kan behovsstyring mer enn halvere energibruken til ventilasjon. Hvilke krav skal man stille for å få maksimalt inneklima med minimal energibruk?

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

DiBK har varslet en innskjerping av byggeforskriftene mot passivhusnivå fra 2015. Utredningen, «Energiregler 2015» [kilde: Rambøll, 2013], slår fast at reduksjon av luftmengder gjennom behovsstyring, og reduksjon av spesifikk vifteffekt (SFP) er tiltakene som i hovedsak bidrar til lønnsom energi-effektivisering i kontorbygg.

Andre tiltak, som økt isolasjon, synes å ha begrenset lønnsomhet. Dette bærer bud om at energioptimal behovsstyrt ventilasjon blir avgjørende for å nå innskjerpede krav til energibruk i skoler og andre yrkesbygg.
FoU-prosjektet «reDuCeVentilation - Reduced energy use in Educational buildings with robust Demand Controlled Ventilation» har sett på tiltak som bidrar til velfungerende og energioptimal ventilasjon. Resultatene blir presentert gjennom tre artikler. Denne artikkelen fokuserer på innkjøp, og har byggerherrer, eiendomsforvaltere, rådgivere og entreprenører som primær målgruppe.

Innholdet er hentet fra rapporten «DCV - Krav og overlevering, Veileder for velfungerende og energioptimal behovsstyrt ventilasjon» som ble lansert 19.november.

Behovsstyring må spesifiseres!
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 et DCV-spjeld bruker dette signalet til å styre luftmengden presist i forhold til ønsket kvalitetsmål.

Det er selvfølgelig stor forskjell på funksjonalitet og kostnadsnivå mellom DCV-anlegg og enklere anlegg som for eksempel varierer luftmengden ved hjelp forhåndsinnstilte spjeldstillinger, eller benytter en felles sensor for mange rom. Det er behov for å spesifisere kvalitative mål med behovsstyring hvis man ønsker energioptimal og velfungerende behovsstyrt ventilasjon.

Det holder sjelden å be om «behovsstyrt ventilasjon». Vi anbefaler at man ber om: Energioptimal behovsstyrt ventilasjon som regulerer luftmengden presist i forhold til behov på romnivå og som regulerer sum av luftmengder tilstrekkelig presist på aggregatnivå, og at luftmengden reguleres uten unødvendig struping.

Figur 1. Enkel behovsstyring. En sensor måler CO2-nivå eller temperatur og regulerer luftmengden i forhold til et settpunkt eller en kurve ved hjelp av en regulator. Kilde: SINTEF Byggforsk.

Maksimal og gjennomsnittlig samtidighet
Ved utforming av velfungerende og energioptimal behovsstyrt ventilasjon må man ta hensyn til både maksimal og gjennomsnittlig samtidighet. Et behovsstyrt ventilasjonsanlegg skal alltid ventilere i henhold til aktuelt behov med tilstrekkelig presisjon og tilstrekkelig kort responstid. Dette er en forutsetning for å sikre godt inneklima med minimum energibruk.

Hva som er normalt driftsområde og maksimal og minimal luftmengde er prosjektavhengig og det er stor forskjell mellom skoler og for eksempel kontorbygg. En gjennomgang av 157 5.klasser i Osloskolen viste at klasserom brukes i gjennomsnitt ca. 4 timer i løpet av driftstiden [[1]]. Dette skjer i hovedsak i tidsrommet 08:15 − 14:00. I dette tidsrommet må man forvente perioder hvor alle klasserom er i bruk. I tillegg vil temperaturstyring av luftmengden gi maksimal samtidighet selv om ikke alle klasserom har maksimal personbelastning samtidig.
Det er derfor sjelden grunnlag for å neddimensjonere ventilasjonsanlegget på grunn av samtidighet i skoler. Utenom dette tidsrommet vil anleggene stort sett levere minimum luftmengde når luftmengden ikke temperaturstyres. Dette gjør at gjennomsnittlig samtidighet over driftstiden kan bli under 50 % i primærskolen, men dette avhenger av minimum luftmengde og driftstid. Det er viktig å velge vifter og reguleringsstrategi som gir god virkningsgrad i hele driftsområdet.

Luftmengden utenom driftstid kan bli under 10 % av anleggskapasiteten hvis man legger TEK og 0,7 (m3/h)/m2 til grunn i skoler. Tradisjonelt utformede anlegg kan ikke regulere luftmengden så langt ned. Da er det aktuelt å se på minimumsluftmengden som et gjennomsnitt over en periode med anlegget og kortere perioder med avslått ventilasjon. Ventilasjonen må ikke slås av i perioder hvor skolen kan bli tatt i bruk. Dette er særlig viktig hvis det er risiko for inntrengning av radon fra grunnen. Det er betydelig bruk av skoler på kveldstid [[2]].

[1] kilde: Mysen, Berntsen, Nafstad & Schild (2005). "Occupancy density and benefits of demand-controlled ventilation in Norwegian primary schools". Energy and Buildings, 37 (2005) 1234-1240
[2] kilde: Mysen. Bruksprofil i skoler– som grunnlag for å vurdere energisparepotensialet med behovsstyrt ventilasjon. SINTEF rapport, 2012-07-04.

Presisjon på romnivå
Hvert rom må ha en sensor som måler det virkelige behovet med tilstrekkelig presisjon. Dette setter krav til sensorens kvalitet og plassering. Mange gass-sensorer må kalibreres jevnlig for å opprettholde sin nøyaktighet.

Samsvarende endring på romnivå og aggregatnivå
I et presist anlegg er sum av luftmengdebehov i rommene lik hovedluftmengden minus kanallekkasje. Dette innebærer også at en endring i et rom eller sone skal medføre tilsvarende endring av hovedluftmengden. Vi anbefaler at man stiller konkrete krav til dette som man kontrollerer ved overlevering.

Energioptimal regulering
De fleste kjenner til begrepet «kritisk vei» i kanalnettet. Dette er den kanalveien hvor trykkfallet fra viften til ventilen er størst. Et kjennetegn for et godt innregulert ventilasjonsanlegg er at alle reguleringsspjeld står maksimalt åpne langs den kritiske veien. I et behovsstyrt anlegg er ikke den kritiske veien statisk, men den flytter seg som følge av endring i ventilasjonsbehovet i de ulike rom. Energioptimale anlegg regulerer slik at DCV-spjeld langs den enhver tid kritiske veien ikke struper unødvendig.

Figur 2 viser sammenhengen mellom luftmengde og spesifikk vifteeffekt (SFP) for behovsstyrt ventilasjon med ideell, god, normal og dårlig regulering av luftmengden i forhold til energieffektivitet. Forskjellen mellom linjene skyldes at de minst effektive anleggene regulerer luftmengden ved hjelp av struping langs kritisk vei. Med «dårlig» regulering menes konstant drivtrykk over viftene, uavhengig av luftmengden.

Figur 2. Sammenhengen mellom luftmengde og SFP for behovsstyrt ventilasjon med ideell, god, normal og dårlig regulering av luftmengden i forhold energieffektivitet. Kurvene er bøyd oppover ved lavt dellast (r) pga. reduksjonen i viftesystemets virkningsgrad. Kilde: SINTEF Byggforsk.

Figur 2 viser også de viktigste kontrollpunktene for å sikre at man har energioptimal behovsstyring (merket med sirkel). Det er vanlig å kontrollere kravet til maksimal SFP ved dimensjonerende luftmengde. I tillegg må man definere en tilstand med redusert luftmengde (dvs. normal drift) og sette krav til SFP ved denne tilstanden.
Det er denne kontrollen som viser om anlegget faktisk regulerer energioptimalt. Alternativt kan man logge både luftmengde og vifteeffekt, plotte det inn i diagrammet og for eksempel stille krav til at man ligger under den grønne kurven. Et tredje alternativ er å kontrollere at det alltid er minst et DCV-spjeld som er åpent (minimum 70 prosent åpningsgrad) til enhver tid, samt eventuelle reguleringsspjeld mellom DCV-spjeldet og vifta, dvs. langs kritisk vei.

Eksempel på ikke-optimal regulering
Konstanttrykk-styrte anlegg er en type anlegg som ikke vil regulere energioptimalt ved alle luftmengdefordelinger (figur 3). Slike anlegg vil regulere ned luftmengden ved hjelp struping over DCV-spjeldene når luftmengdebehovet er lavere enn dimensjonert.

Figur 3. Konstant-trykk-anlegg. Kilde SINTEF Byggforsk.

Hva betyr dette for energibruk?
I en typisk kontorbygning er personer tilstede i 20−60 % av rommene på et gitt tidspunkt. Dette kalles «prosent tilstedeværelse» [[3]]. Avhengig av grunnventilasjon gir dette en ventilasjonsmengde på 40−70 % av dimensjonerende luftmengde som et tilsvarende CAV-anlegg ville hatt. Dette kalles «% samtidighet». La oss ta et eksempel med gjennomsnittlig samtidighet på 60 % og SFP ved dimensjonert luftmengde lik 2 kW/(m³/s). Med utgangspunkt i figur 2 finner vi at et normalt anlegg har gjennomsnittlig SFP på 2*0,6 = 1,2, mens et ideelt anlegg har gjennomsnittlig SFP på 2*0,4 = 0,8 kW/(m³/s). Beregningen under viser energibehov til viftedrift ved ideell styring og gjennomsnittlig spesifikk luftmengde på 6 (m³/h)/m² og driftstid på 3000 timer.

Et ideelt regulert anlegg kan komme ned til et vifteenergibehov på 4 kWh/m². Et konstanttrykk-anlegg vil ligge rundt 7-10 kWh/m², mens et tradisjonelt CAV-anlegg bruker rundt 17 kWh/m². I tillegg til vifteenergi vil behovsstyrt ventilasjon redusere energibruken til sentral varme, sentral kjøling og lokal varme. Det siste fordi man reduserer tilført luftmengde av kjølt luft til rom som ikke er i bruk.

[3] kilde: Johan Halvarsson, PhD-avhandling, 2012

Anleggets funksjon må dokumenteres!
Det må stilles klare krav til dokumentasjon, både til omfang og innhold. Et behovsstyrt anlegg skal styres riktig i forhold til aktuell belastning (temperatur, CO2, tilstedeværelse, lys og persienner, pådrag fra annen lokal varme eller kjøling). I mange tilfeller skal forskjellige soner samvirke, for eksempel ved overstrømning til felles avtrekk, og tilluft og avtrekk skal være i balanse. Dette gir en dynamikk som fort blir komplisert.

Denne funksjonsdynamikken må planlegges og kommuniseres fra prosjektering, til utførelse, til driftspersonale og videre til de som skal utvikle anlegget videre ved endringsbehov eller ombygging. Dette krever at det finnes en grundig funksjonsbeskrivelse og et automatikkskjema som klargjør styringsprinsipp og kommunikasjon på rom-, sone/gren- og aggregatnivå.

Et DCV-anlegg bør minimum overleveres med:
· Funksjonsbeskrivelse
· DCV-skjema som viser automatikkprinsipp
· Utfylt kontrollskjema (figur 4)
· SFP-måling ved definert maksimal og redusert last
· Luftmengdemåling på aggregatnivå før og etter kjent endring i sone
· Protokoll for samordnet funksjonskontroll

Krav til CO2- og temperatursensorer:
· En sensor i et behovsstyrt ventilasjonssystem må tilfredsstille følgende krav:
· Sensoren må ha tilfredsstillende nøyaktighet, respons og langtidsstabilitet.
· Det må eksistere pålitelige og tilgjengelige prosedyrer for kalibrering.
· Sensoren må være selektiv (ikke reagere på uvedkommende gasser).
· Sensoren må være holdbar overfor de kjemiske, mekaniske og termiske påvirkningene den blir utsatt for.

Sensorer må dokumenteres i forhold til følgende spørsmål:
· Hvordan skal man kontrollere sensoren i drift?
· Hvordan reagerer sensoren i forhold til støv og tilsmussing?
· Hva er maksimal målefeil for temperaturføler og CO2-sensorer under alle reelle driftsforhold?
· Hva er levetiden til sensoren og hvordan er levetiden dokumentert?
· Hva er kalibreringsbehovet for sensoren?
· Ulike kalibreringsbehov kan ha stor påvirkning på driftskostnad og noen CO2-sensorer er vedlikeholdsfrie eller autokalibrerende. Velger man sensorer som krever manuell kalibrering, må kostnadskonsekvensen medtas slik at produktene blir økonomisk sammenlignbare. Leverandøren må også angi behov for og krav til re-kalibrering.

Krav til tilstedeværelsesdetektor/bevegelsesmelder
● Bevegelsesmelderen må ha tilstrekkelig bredt synsfelt for det aktuelle rommet. Ved behov må det benyttes flere bevegelsesmeldere per rom. Takmonterte bevegelsesmeldere bør ha 360° synsfelt.

● Ønsker man sensorbasert lys-styring, er den beste løsningen å benytte en kombinert PIR- og ultralydmelder. Den vil detektere enhver bevegelse i rommet. Dette hindrer problemet med at PIR-følere kan reagere på andre dynamiske varmekilder enn personer (f.eks. sol, konvektorer). Det kan være en fordel å kunne stille inn ulike tidsforsinkelser før dimming av lys og reduksjon av luftmengde.

Krav til trykkgivere:
●Trykkgivere bør være av en type der trykkområdet kan innstilles på giveren. Det er viktig at trykkgiveren ikke må jobbe i et for stort område, da dette gir unøyaktig trykkmåling. Det bør også benyttes statisk trykkgiver som ikke påvirkes av støv og skitt eller slitasje over tid.

● Trykkgiver må plasseres på egnet sted med stabilt statisk trykk. Dette bør kontrolleres ved overlevering.

Krav til DCV-spjeld og volustater:
● Bruk DCV-spjeld med robust trykkgiver i forhold til støvpåvirkning, for eksempel statisk trykkgiver.

● DCV-spjeld bør ha minimum 3 innstillinger for luft. Minimum luftmengde utenom normal brukstid, minimum luftmengde innenfor normal brukstid og maksimum luftmengde.

● Det bør stilles krav til maksimal måleusikkerhet for DCV-spjeld både ved normal- og nominell luftmengde (10−15 %). Leverandør bør også oppgi måleusikkerhet ved minimum luftmengde siden stor måleusikkerhet her kan få en betydelig energikonsekvens fordi mange rom står tomme mye av tiden.

● Leverandør må ha tydelig krav til plassering av DCV-spjeld i forhold til strømningshindre. Avstandskravene kan variere mellom ulike produkter og det er viktig å være tydelig på eventuelle fysiske begrensinger i prosjektet som kan gjøre noen produkter uegnet.

● Mange anlegg med DCV blir ”ødelagt” på grunn av at det monteres mekaniske CAV-spjeld (volustat) i DCV-anlegg. Disse spjeldene er avhengig av høyt trykk for å fungere, noe som betyr økt vifteenergibehov. Vi anbefaler at det benyttes DCV-spjeld også i soner med konstante luftmengder som for eksempel toaletter, garderober og lignende. Den ønskede konstante luftmengden programmeres inn som min- og maksluftmengde på DCV-spjeldet. Spjeldet har da kun behov for driftsspenning, (ingen romsensor), for å holde ønsket konstant mengde.

Anlegget må kontrolleres!
En god behovsstyrt ventilasjonsfunksjon er et resultat av et vellykket samspill mellom anleggsutforming, komponentvalg og automatikk. Ofte er det forskjellig ventilasjons- og automatikkentreprenør og god koordinering mellom disse er en utfordring. Videre kan det være egen rørentreprise som leverer varme- og kjølesystemer.
Det bør være en samordnet funksjonskontroll på ventilasjons-, eller klimatiseringsnivå. Funksjonskontrollen bør skje på romnivå, sonenivå og aggregatnivå. Utfylling av kontrollskjema (figur 4) kan gjøres ved funksjonskontroll. Alle samvirkende anlegg må være ferdigstilt før funksjonskontroll. Oppvarmings- og kjølesystemer må være igangkjørt der hvor det er temperaturstyrt behovsstyring, noe som gjelder de fleste anlegg.

Figur 4. Kontrollskjema for behovsstyrte anlegg. Kilde: SINTEF Byggforsk.

Videre er det slik at behovsstyrte anlegg skal fungere i alle driftsituasjoner. Dette får man ikke reell kunnskap om før man har driftet anlegget alle årstider. Funksjonskontrollen bør gjentas etter et års drift, samtidig som man gjennomgår driftserfaringene så langt.

Samordnet funksjonskontroll må tas med i anbudsbeskrivelsen for alle entreprenører som blir berørt. En entreprenør må tildeles ansvar for samordnet funksjonskontroll og få anledning til å prise dette som egen post. En del av entreprisesummen bør holdes igjen til siste samordnet funksjonskontroll er gjennomført og godkjent. Ansvar for funksjon og utbedring må være klart plassert, enten gjennom tiltransport eller i en samlet teknisk entreprise.

Kontroll av vifteeffekt:
· Vifteeffekt bør måles i koblingstavlen før frekvensomformer for å få med alle tapsledd. Vi anbefaler at vifteeffekt måles med trefase nettanalysator fremfor towattmetermetoden fordi det reduserer risikoen for feilmåling og fordi effekt kan logges over tid og avlesningen kan dokumenteres (f.eks. skjermbilde eller lagret måling).

Kontroll av luftmengde:
· Luftmengden på rom-/sonenivå kontrolleres ved hjelp av fellesnordiske målemetoder. Måling av hovedluftmengde bør gjøres i eller nær aggregatet. Før viften i et ventilasjonsaggregat er det vanligvis montert et statisk trykkuttak som kan brukes til å finne luftmengden over viften.

Vær forberedt på avvik ved overlevering!
Sett av tid til å utbedre anlegget. Bli på forhånd enige om en modell for økonomisk kompensasjon ved avvik fra energirelaterte krav.

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/

Prosjektet er finansiert av Norges forskningsråd, VKE, Skanska, Undervisningbygg Oslo KF, Optosense, Micro Matic Norge, Swegon og TROX Auranor Norge.