Vannbaserte oppvarmingsog kjølesystemer DAVID ZIJDEMANS

Transkript

1 Vannbaserte oppvarmingsog kjølesystemer DAVID ZIJDEMANS 2012

2 VANNBASERTE OPPVARMINGS- OG KJØLESYSTEMER Vannbaserte oppvarmings- og kjølesystemer inneholder det teoretiske grunnlaget for prosjektering av oppvarmings- og kjølesystemer med vann som distribusjonsmedium. Den er basert på Leif I. Stensaas bok med samme tittel, siste gang revidert i Den teknologiske utviklingen siden den gang har vært formidabel. Dette, samt strengere byggeforskrifter og økt fokus på bruk av alternativ energi, har medført at det var behov for en gjennomgående oppdatering av boka. Redaksjon avsluttet juni 2012 Bidragsytere: Stig Røed, Röed Engineering & Design Geir Skjevrak Arne Palm Grafisk formgiving og produksjon: Elin Barosen, BAROFORM Figurer: Stig Røed, Röed Engineering & Design Trykkeri: Prinfo Unique, Larvik ( Skarland Press AS Utgave , 1. opplag ISBN Det må ikke kopieres av denne boka i strid med Åndverksloven og Fotografiloven, eller i strid med avtaler om kopiering som er gjort med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utgiver: Skarland Press AS Pb Tøyen 0608 Oslo Tlf: Faks: E-post: firmapost@skarland.no Web: Denne boken er tilgjengelig i sin helhet i siste oppdaterte versjon på VVS- og byggebransjens Kompetansebibliotek,

3 FORORD Denne boka er basert på Leif I. Stensaas bok med samme tittel, siste gang revidert i Den teknologiske utviklingen siden den gang har vært formidabel. Dette, samt strengere byggeforskrifter og økt fokus på bruk av alternativ energi, har medført at det var behov for en gjennomgående oppdatering av boka. Noen temaer er fjernet eller redusert i omfang, slik som dampsystemer og oljekjeler. Andre, mer aktuelle temaer er innført eller gitt økt fokus, eksempelvis biokjeler, varmepumper, solvarme, varmegjenvinning og tappevannsoppvarming. Jeg har tilstrebet et enkelt og konsist språk og forsøkt å gå rett på sak i de forskjellige emnene. Språket er også tilpasset vanskelighetsnivåene i stoffet, med tanke på forventet lesergruppe. Nesten 350 forklarende illustrasjoner er med på å formidle budskapet i teksten. Kapitlene skal kunne leses uavhengige av hverandre. Det er derfor minimalt med henvisninger mellom dem. At det så er noen gjentagelser i enkelte av kapitlene, håper jeg leseren tilgir. Så langt det har vært mulig er vanskelighetsnivået gradvis bygd opp innenfor hvert kapittel. Det vil si at i starten av et tema eller et kapittel brukes en forenklet beregningsmetodikk, som for eksempel tabeller og diagrammer tiltenkt installatører, eller kjappe overslagsberegninger. Vanskelighetsnivået økes så gradvis med formler og utleding av disse, tiltenkt ingeniørstudenter og konsulenter. Samtidig som vanskelighetsnivået øker, innføres også termodynamiske og matematiske begrep og metoder som er kjent for denne lesergruppen. Bokas mange regneeksempler er med for å vise praktisk bruk av gjennomgåtte formler, for å få frem et poeng, eller for å formidle selve budskapet. Det har vært mye arbeid med denne boka og jeg har ikke gjort det alene: Stig Røed, Röed Engineering & Design, har laget alle de flotte illustrasjonene og har hatt en imponerende tålmodighet med min stadige pirking i hans arbeid. Geir Skjevrak har skrevet teksten til biokapittelet (kap. 3.6). Arne Palm har utarbeidet underlaget for el-, olje- og gasskjelkapitlene (Kap ). Takk til Knut Olav Knudsen som gav meg muligheten til å skrive denne boka og som har inspirert meg til å stå på i arbeidet. En stor takk rettes til min sjef Sigurd Braathen som har stilt kollegaer til disposisjon for korrekturlesing og gitt meg lov til å bruke arbeidstiden min til å skrive deler av boken. En takk rettes også til forlaget, Skarland Press og alle som har vært involvert i produksjonen av boka. Den største takken fortjener Siri, min forlovede og mor til mine to fantastiske barn. Med stor tålmodighet har hun latt meg jobbe utallige sene kveldstimer, helger og ferier. Takk, Siri! Jeg håper denne boka blir et nyttig verktøy for deg og at du får glede av den i mange år. God lesning! Beste hilsener fra David Hokksund, juli 2012

4

5 INNHOLD 1 BYGNINGERS VARMEEFFEKTBEHOV Generelt Varmeeffektbehov Transmisjonstap Ventilasjonsvarmetap Infiltrasjon Ventilasjon 20 2 VARME- OG KJØLEAVGIVERE Termisk inneklima Varmeavgivere Bygningsflater Gulvvarme Veggvarme Takvarme Punktvarme Radiator Konvektor Varmelist Strålevarmepaneler Ventilasjonsvarme Oppsummering og sammenligning av varmeavgivere Kjøleavgivere Bygningsflater Takkjøling Punktkjøling Kjølebafler Viftekonvektor Ventilasjonskjøling 61 3 ENERGIKILDER Varmepumpe Historisk tilbakeblikk Varmepumpens virkemåte Ulike varmepumpetyper Innføring i termodynamikk for varmepumper Komponenter Arbeidsmedier og oljer Log PH diagrammet og COP Forbedringsalternativer Varmekilde for varmepumper 92

6 INNHOLD Karbondioksidvarmepumper Dimensjonering Solvarme Introduksjon Solinnstråling på jorden Energimengde fra solen Omgjøring av solenergi til anvendbar energi Solfangers orientering Solvarmeanleggets ulike komponenter Solfangeren Overoppheting i væskefylte lukkede solvarmesystemer Solfangers virkningsgrad Solkretsen Akkumulering av solvarme Prosjektering av solvarmeanlegg Systemløsninger Dimensjonering av solvarmeanlegg Elektrokjel Elementkjel Elektrodekjel Induksjonskjel Sikkerhetsfunksjoner for elektrodekjeler Oljekjel Oljekjelen Støpejernskjeler Platekjel Utstyr på kjel Fyringsformer Feiing av kjel Lavtemperaturkjeler Oljebrennere Dyser Brennerautomatikk Oljetanken Lufttilførsel og skorsteiner Bioolje Gasskjel Gasskjeler Gasstyper Transport og oppbevaring av gass

7 INNHOLD 3.6 Biokjel Generelt om biobrensel Konvertering av biobrensel til varme Valg av forbrenningsteknologi Lagring av brensel Dimensjonering av biokjeler VARMEAKKUMULERING, EKSPANSJON OG SIKKERHET I VANNBÅRNE ANLEGG Varmeakkumulering Ekspansjonssystemer Åpne ekspansjonssystemer Lukkede ekspansjonssystemer Sikkerhetsventiler Sikkerhetsinnretninger Funksjon, typer og oppbygning av sikkerhetsventiler Dimensjonering av sikkerhetsventiler Plassering og montering av sikkerhetsventiler DIMENSJONERING OG ISOLERING AV RØRNETT Trykktapsberegning Volumstrøm og hastighet i rør Forenklet dimensjonering av rørnett Friksjonstap i rør Støttap Reguleringsventiler Varmesystemer Torørs oppdriftssystem Torørs system med pumpedrift Torørs system med vendt retur Ettrørs system Isolering av rør Generelle krav og typer isolasjon Dimensjonering EFFEKTREGULERING Innledning, terminologi og grunnleggende begrep Reguleringsmetoder Tostillingsregulering Flytende regulering Modulerende regulering Adaptiv regulering Fuzzy regulering 277

8 BYGNINGERS INNHOLD VARMEEFFEKTBEHOV 6.3 Reguleringsprinsipp Behovstyrt effektregulering Temperaturregulering Utekompensert turtemperatur og utekompenseringskurve Varme- og kjølebatteri i ventilasjonsanlegg Mengderegulering VARMEGJENVINNING OG KJØLING Ventilasjonsvarmegjenvinning Passiv ventilasjonsvarmegjenvinning Aktiv ventilasjonsvarmegjenvinning Kombinert aktiv og passiv varmegjenvinning Kjøling Passiv kjøling Regulering av varmeanlegg og varmegjenvinner Redusere varmetilskudd Nattkjøling og varmeforflytning Jordvarmeveksler Passiv kjøling i kombinasjon med varmepumpe Aktiv kjøling Utnytting av varme fra kjøleanlegg Kombinert passiv og aktiv kjøling Gråvannsvarmegjenvinning Passiv gråvannsvarmegjenvinning Aktiv gråvannsvarmegjenvinning Kombinert aktiv og passiv gråvannsvarmegjenvinning VANNVARMERE Historisk tilbakeblikk Innføring i- og oppbygningen av dagens varmtvannsberedere Innertank Anslutninger Yttermantel Isolasjon Komponenter Overordnede hensyn for varmtvannsberedere Vannkvalitet og korrosjonsbeskyttelse Tappevannstemperatur og Legionella Beredertemperatur og varmetap Ekspansjon og tilbakestrømning Plassering av varmtvannsbereder og tiltak mot vannskader 371

9 INNHOLD Sirkulasjonsledning, varmekabel og ettervarmer Varmetapsberegning av varmtvanns- og sirkulasjonsledninger Varianter og systemløsninger Gjennomstrømningsvarmer Direkte oppvarmet varmtvannsbereder Indirekte oppvarmet varmtvannsbereder Kombinert direkte og indirekte oppvarmet varmtvannsbereder Sammenkobling av flere beredere Direkte ladende systemer Dimensjonering av varmtvannsberedersystem Forenklet berederdimensjonering ved hjelp av tabeller Berederdimensjonering for enkeltboliger og større anlegg med kort dimensjoneringsperiode Dimensjonering av større berederanlegg ANLEGGSUTFØRELSER OG SYSTEMLØSNINGER Reguleringsventiler Toveis reguleringsventiler Treveis reguleringsventiler Sammenkobling av energikilder Systemløsninger INNREGULERING OG IGANGKJØRING Generelt Utlufting Innregulering 442 Litteraturliste 455

10 Innledning Denne boken inneholder det teoretiske grunnlaget for prosjektering av oppvarmings- og kjølesystemer med vann som distribusjonsmedium. Kapitlene skal kunne leses uavhengige av hverandre. Det er derfor minimalt med henvisninger mellom dem. Vanskelighetsnivået bygges gradvis opp innenfor hvert kapittel. Det vil si at i starten av et tema eller et kapittel brukes en forenklet beregningsmetodikk, som for eksempel tabeller og diagrammer tiltenkt installatører, eller kjappe overslagsberegninger. Vanskelighetsnivået økes så gradvis med formler og utleding av disse, tiltenkt ingeniørstudenter og konsulenter. Samtidig som vanskelighetsnivået øker, innføres også termodynamiske og matematiske begrep og metoder som er kjent for denne lesergruppen. Bokas mange regneeksempler er med for å vise praktisk bruk av gjennomgåtte formler, for å få frem et poeng, eller for å formidle selve budskapet. Kort beskrivelse av innholdet i de ulike kapitlene: 1. Bygningers varmeeffektbehov Dette kapittelet gir en grunnleggende innføring i hvordan man beregner et byggs effektbehov. Det fokuseres primært på varmeeffektbehov og varmetap. Varmetap deles opp i transmisjons-, infiltrasjons- og ventilasjonsvarmetap. Kapittelet viser også hvordan temperaturen i uoppvarmede rom beregnes. 2. Varme- og kjøleavgivere Utstyr som avgir eller mottar varme kaller vi henholdsvis varme- og kjøleavgivere. Vi skiller mellom to hovedgrupper. 1: Punktvarme og -kjøling, som radiatorer og kjølebafler og 2: Bygningsflater som brukes som varme- eller kjøleavgivere. Det fokuseres primært på oppbygning og dimensjonering av de mest vanlige varme- og kjøleavgiverne, som gulvvarme og radiatorer. Varme- og kjøleavgivere som er mer aktuelle for bygninger med lavt effektbehov, som eksempelvis passivhus, gjennomgås også. Takvarme og tilførsel av overtemperert luft fra ventilasjonsanlegget er eksempler på dette. 3. Energikilder Energikilder defineres her som den enheten som gir eller produserer varme til det vannbaserte oppvarmingssystemet. Det kan være i form av forbrenning, omforming av elektrisitet til varme, konvertering av termisk stråling til varme eller heving og utnytting av temperaturen for en ellers unyttig varmekilde ved hjelp av varmepumpe. Energikildene som gjennomgås er varmepumpe, solvarme, elektrokjel, oljekjel, gasskjel og biokjel. 4. Varmeakkumulering, ekspansjon og sikkerhet i vannbårne anlegg Dette er et tredelt kapittel hvorav første del omhandler varmeakkumulering der varme akkumuleres ved hjelp av vann. Her vises det hvordan effektbelastningen kan stabiliseres ved å lagre overskuddskapasitet fra natt til dag, og hvordan nødvendig akkumuleringsvolum for en

11 varmepumpe beregnes. Den andre delen dreier seg om ulike ekspansjonssystemer og den tredje om sikkerhetsventiler for varme- og kjøleanlegg. 5. Dimensjonering og isolering av rørnett Første del av dette kapittelet gjennomgår trykktapsberegning av rør og komponenter og bruk av strupe-/innreguleringsventiler. Deretter gjennomgås ulike systemtyper, som selvsirkulerende og pumpedrevne anlegg, og ett- og torørssystemer. Et regneeksempel viser hvordan et komplett varmeanlegg trykktapsberegnes og hvordan anlegget skal innreguleres for å oppnå riktig sirkulert vannmengde til de ulike varmeavgiverne (mer om dette i kap. 10). Til slutt presenteres ulike isolasjonsmaterialer for rør og fremgangsmåte for beregning av varmetapet fra rør. 6. Effektregulering Effektregulering vil si at varme- og/eller kjøleavgiver tilpasser effekten slik at ønsket romtemperatur oppnås. Effektregulering av vannbaserte varme- og kjøleavgivere gjøres ved endring av gjennomstrømmet vannmengde og/eller endring av vannets temperatur. Ulike reguleringsmetoder og -prinsipp gjennomgås i dette kapittelet, samt beregning av temperaturforløp ved nattsenking av romtemperatur og komponering av en utekompenseringskurve. 7. Varmegjenvinning og kjøling Dette kapittelet omhandler hvordan et byggs energibehov kan reduseres ved å gjenvinne varme fra brukt ventilasjonsluft og avløpsvann, og hvordan kjøling kan gjøres på en mest mulig energieffektiv måte. Dette gjelder både for nybygg og ved rehabilitering. Ulike passive og aktive tiltak og hvordan disse kan kombineres for å oppnå best mulig resultat, blir nøye gjennomgått. 8. Vannvarmere Dette kapittelet vil gi en grundig innføring i vannvarmeres historie, oppbygning, varianter og systemløsninger, samt dimensjonering av beredersystem fra mindre boliganlegg og opp til større industrianlegg. Det fokuseres primært på norskproduserte beredere og aktuelle utfordringer knyttet til det norske markedet. 9. Anleggsutførelser og systemløsninger Energikilder, akkumuleringstanker, varmtvannsberedere, varme-/kjøleavgivere og reguleringsventiler kan kobles sammen på forskjellige måter. Særlig for større anlegg er det mange mulige koblingsvarianter. I dette kapittelet tar vi for oss de mest vanlige av disse. 10. Innregulering og igangkjøring Innregulering av kjøle- og varmeanlegg går ut på å sørge for at samtlige rørkretser får de vannmengder som er beregnet. I dette kapittelet beskrives ulike innreguleringsmetoder og praktisk gjennomføring av disse, samt hvordan et anlegg skal utluftes og sikres mot fremtidige driftsproblemer med luftansamlinger.

12

13 BYGNINGERS VARMEEFFEKTBEHOV BYGNINGERS VARMEEFFEKTBEHOV Norsk Standard NS 3031: 2007 erstatter 4. utgave av Norsk Standard fra mai Revisjonen er utført av flere grunner. Det er kommet en serie europeiske standarder for beregning av bygningers samlede totale energibehov, behovet for levert energi, primærenergibehov og det resulterende CO 2 - utslipp. NS 3031 kompletterer de europeiske standardene ved å benytte reglene som er beskrevet i de normative referansene, og legger til grunn nasjonale valg og verdier for beregningene. I revisjonen er det lagt vekt på at den nye utgaven skal være tilpasset energikravene i Forskrift om krav til byggverk, til Plan- og bygningsloven (TEK) og en energiordning med energisertifikat for bygninger. Omfanget er endret til å omfatte alle bygningens energiposter for å kunne beregne bygningens totale årlige energibehov. Den lengste beregningsperioden er én måned. Standarden omfatter ikke regler for å sette opp et effektbudsjett. Derfor vil ikke dette kapittelet følge NS 3031, men gi en grunnleggende innføring i bygningers effektbehov. Eksempler i dette kapittelet følger gjeldende forskriftskrav (TEK 10). 1.1 Generelt Et byggs varmeeffektbehov sammensettes av følgende ledd: Transmisjonstap Infiltrasjonstap Ventilasjonstap Transmisjonstap Transmisjonstapet beskriver varmetransport gjennom en begrensningsflate. Det kan være gjennom en innervegg mellom to rom, eller gjennom et byggs klimaskjerm. Klimaskjermen beskriver alle flater som grenser mot det ytre klima. Det vil si gulv, vegg og tak. For å beregne transmisjonstapet må begrensningsflatens varmemotstand (isolasjonsegenskapene), areal og temperaturdifferanse være kjent. Infiltrasjonstap Infiltrasjonstapet beskriver uønsket luftstrømning gjennom begrensningsflatene, såkalt utilsiktet ventilasjon. Dette tapet oppstår på grunn av trykkdifferanse som blant annet oppstår ved forskjeller mellom inne- og utetemperatur og utvendig vindpåvirkning. For å beregne infiltrasjonstapet må byggets tetthet, dimensjonerende vindbelastning og temperaturdifferanse være kjent.

14 2 1 BYGNINGERS VARMEEFFEKTBEHOV Ventilasjonstap (tilsiktet ventilasjon) Ventilasjonstapet beskriver varmetap i forbindelse med utskiftning av luft i et bygg. Det vil si at når kald uteluft tilføres et rom/bygg må denne luften varmes opp til ønsket romtemperatur. For å beregne ventilasjonstapet må luftmengde, eventuell varmegjenvinners virkningsgrad og temperaturdifferanse være kjent. Et bygg tilføres også varme. Denne varmetilførselen deles inn i: Internlast Personbelastning Soltilskudd Internlast Internlasten beskriver varme som tilføres inne i bygget. Slike interne varmekilder kan være lys, datamaskiner, hvite- og brunevarer, elektriske motorer og annet elektronisk utstyr. For å beregne internlasten må summen av avgitt effekt fra varmekildene fastsettes ved dimensjonerende forhold. Personbelastning Personbelastning er varme som tilføres fra personer som befinner seg i bygget. Varmeavgivelsen fra en person varierer avhengig av aktivitetsnivå og størrelse. For å beregne personbelastningen må antall personer, deres aktivitetsnivå og størrelse være kjent ved dimensjonerende forhold. Soltilskudd Soltilskuddet beskriver varme som tilføres fra sola. Denne varmen tilføres bygget i hovedsak gjennom vinduer, men også ved utvendig oppvarming av fasader og tak. For å beregne soltilskuddet må geografisk plassering og orientering av bygget, vindusflater, grad av solavskjerming og skygge fra omliggende bygg og natur være kjent. Et rom har et varmeeffektbehov når varmetapene er dominerende, og et kjøleeffektbehov når varmetilførselen er dominerende. Det er å tilfredsstille disse behovene som er et varme- og kjøleanleggs oppgave. Om et bygg har varme- eller kjøleeffektbehov kan variere gjennom døgnet og gjennom året. Det er ikke uvanlig at et bygg har begge behovene samtidig. For eksempel kjølebehov i sørvendte rom og datarom og varmebehov i entreer og nordvendte rom. Definisjon av effektbehovene Brutto varmeeffektbehov: Dette er summen av varmetapene uten hensyn til varmetilførsel ved dimensjonerende vinterforhold. Dette effektbehovet er som oftest lagt til grunn ved dimensjonering av varmeanlegg.

15 BYGNINGERS VARMEEFFEKTBEHOV 1 3 Netto varmeeffektbehov: Kjøleeffektbehov: Dette er brutto varmeeffektbehov når varmetilskuddene er trukket fra ved dimensjonerende vinterforhold. Netto effektbehov kan brukes som dimensjoneringsgrunnlag for enkelte varmekilder som for eksempel varmepumper. Dette er summen av varmetilskuddene ved dimensjonerende sommerforhold. Dette effektbehovet er ofte dimensjoneringsgrunnlaget for kjøleanlegget. 1.2 Varmeeffektbehov Transmisjonstapet Formler til Vannbaserte oppvarmings og kjølesystemer (1.mai 2012) Antall: Transmisjonstapet 225 nummererte formler (blå bakgrunn) og 176 som brukes kan i eksempler uttrykkes (hvit bakgrunn) slik: 1. Bygningers varmeeffektbehov n n Formel 1.1 Formel 1.1 U n : Varmegjennomgangskoeffisient for flate nr. n [W/(m 2 K)] A n : Areal R av DUT flate nr. n [m 2 ] Formel 1.2 Τ : Temperaturdifferanse over bygningsdelen [K] Eksempel 1.1 Arealet Tilført A n : Avgitt Formel 1.3 Figur 1.1 viser plan og snitt av et rom. B x b x L H h Vindu Figur 1.1 PLAN SNITT X-X