Trykkfall i luftveiene i hybridanlegget ved Grong barneskole Per O. Tjelflaat, Bjørn J. Wachenfeldt og Berouz Z. Shahriari. Faggruppe energiforsyning og klimatisering av bygninger Institutt for energi- og prosessteknikk Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi, NTNU Interessen for dimensjonering av ventilasjonsanlegg med lavt til meget lavt trykkfall er stor, men det finnes foreløpig lite måledata for trykkforhold i utførte anlegg av disse typer. Det er nå gjennomført nøyaktige målinger for det hybride ventilasjonsanlegget ved Grong skole, barnetrinnet på Mediå, Grong, se Fig. 1. Resultatene fra målingene presenteres her. Ventilasjonsanlegget ved Grong barneskole karakteriseres ved: lavt trykkfall gjennom luftveiene naturlige oppdriftskrefter benyttes i tillegg til viftedrift tilluftskulvert for å oppnå kjøleeffekt ved forsert ventilasjon på nattetid ventilasjonsanlegg integrert i bygningskroppen ventilasjonen er behovstyrt etter CO 2 -nivå og temperatur i det enkelte rom et SD-anlegg styrer avtrekksventiler i hvert rom og viftene for tilluft og avtrekk for å oppnå settverdiene på sensorene i rommene viftene styres i forhold til hverandre slik at differansetrykket mellom fordelingskulverten og ute blir tilnærmet lik null Gjenvinnerbatteri og avkastventil Avtrekksvifte Avtrekkskanal Gjenvinner- og ettervarmebatterier Inntaksventil Avtrekksventil Fordelingskulvert Tilluftsfilter Tilluftsvifte Figur 1. Skisse av ventilasjonsløsningen ved Grong barneskole i vinterscenario. De fleste komponentene i ventilasjonsanlegget er komponenter som er konstruert for tradisjonell mekanisk ventilasjon, men dimensjonene er betydelig større enn hva som ville blitt benyttet i tradisjonelle anlegg. I praksis er det vanskelig å dimensjonere komponentene for et lavtrykksanlegg; produsenter av filter og varmebatterier har vanligvis ikke tilgjengelige testdata ved så lave trykkfall som her blir aktuelle. Det var derfor vært en usikkerhet omkring dimensjoneringen av komponentene på Grong barneskole.
Ut fra behovvurderinger, basert på omrøringsventilasjon og maksimalt antall personer i skolebygningen, var det ønskelig å oppnå en maksimal luftmengde lik 2.5 m 3 /s under vinterforhold ved Grong barneskole. Overvåkning av CO 2 -nivået på sensorene i klasserommene har siden vist at det oppnås verdier under 1000 ppm gjennom ca. 95% av brukstiden. Dette er oppnådd til tross for begrensning av maksimalt turtall på viftene pga. støy. Men det har vært usikkerhet om hvilken luftmengde som i praksis går gjennom anlegget. Forsøk på registrering av trykkfall og luftmengde Det er generelt vanskelig å måle, og særlig å overvåke, luftmengder i ventilasjonsanlegg med lavt trykkfall. Ved hjelp av en midlertidig montert innsnevring av luftveiene i inntakskulverten på barneskolen ble luftmengden målt og kalibrert mot trykkfallet over tilluftsfilteret. Filtertrykkfallet, som ble avlest ved bruk av SD-anlegget, var tenkt benyttet som en indikasjon på luftmengden ved fjernovervåkning av ventilasjonsanleggets drift. Maksimalt turtall under drift var i denne perioden satt til 60% for tilluftsvifta og 50% for avtrekksvifta. Maksimal luftmengde i anlegget ble da målt til bare ca. 1.1 m 3 /s, dvs. under halvparten av prosjektert verdi. Ved denne luftmengden ble trykkfallet over filteret registrert som ca. 33 Pa. Den lave luftmengden kunne ha sin fulle forklaring i den reduserte innstilling av viftene, men samtidig var det målte trykkfallet over filteret urovekkende høyt. Databladet for trykktransducerne som var installert i tilknytning til SD-anlegget viste et måleområde 0-50 Pa og nøyaktighet ±3.5 Pascal. Denne nøyaktigheten er i dårligste laget, men trykkfallet registrert over filteret burde være nøyaktig nok for å vurdere størrelsen av trykkfallet over filteret. Det kunne imidlertid allerede på dette tidspunkt konkluderes med at nøyaktigheten av trykksensorene var for dårlig for trykk/luftmengdekorrelasjon for filteret ved lave luftmengder. Trykktransducerne gir dessuten bare absoluttverdier, hvilket gjør de uegnet for styring av viftene for å oppnå null trykkdifferanse mellom fordelingskulverten og utendørs. Nøyaktige trykkmålinger og oversikt over trykkfall over ulike komponenter Med bakgrunn i behovet for nøyaktigere trykkmålinger ved for å karakterisere ventilasjonsanleggets ytelser, og at det er behov for kunnskapen ved utførelse av liknende anlegg, ble nye målinger igangsatt. Det var også behov for måledata for komponentene i luftveiene i forbindelse med numerisk simulering av varme- og massetransporten for bygningen og dens ventilasjonsanlegg. For å oppnå høyest mulig nøyaktighet, ble det brukt et vannspeilsmanometer og et skrårørsmanometer ved målingene. Brukt riktig, gir disse instrumentene særdeles sikre og nøyaktige måleresultater. Utstyret ble behørig renset og testet på de strømningstekniske laboratorier ved Institutt for energi- og prosessteknikk ved NTNU å forkant av målingene, og alle forholdsregler ble tatt for å sikre at måleutstyrets tilstand ikke endret seg før eller under måleprosessen. Skrårørsmanometeret med 1:10 helning, har en avlesningsnøyaktighet på ± 0,4 Pa. Vannspeilsmanometeret har en avlesningsnøyaktighet på ±0,1 Pa, men det har lengre responstid. Den generelle måleusikkerheten ble vurdert til ± 0,5 Pa for begge apparater.
Den største usikkerhet er tilknyttet volumstrømsmålingene. Den midlertidige innsnevringen, som tidligere ble benyttet, var nå demontert. Vi valgte å utnytte at finnene i gjenvinner/ettervarmebatteriet fungerer som strømrettere og å måle lufthastigheten i mange punkter ved utstrømningen fra batteriet. Åpningene til ¾ av gjenvinner/ettervarmebatteriene ble tettet igjen med plast. I den gjenværende åpning, med areal på ca 1m 2, ble det skissert inn 100 kvadranter med helt likt areal. Strømningshastigheten ble så målt i sentrum av hver kvadrant med en TSI Velocity Calc Plus hastighetsmåler med nøyaktighet på ± 3%. Målte hastigheter ble korrigert for den aktuelle temperaturen på måletidspunktet, og volumstrømmen ble beregnet som V da, der da er arealet av hvert element. Måleusikkerheten for hver volumstrømsmåling ble vurdert til ± 5%. Brukt i korrelasjon med trykkmålinger på avtrekksiden ble usikkerheten initialt satt til ± 8% pga. mulige infiltrasjon/eksfiltrasjonseffekter. Én volumstrømsmåling ble også utført for hele batteriet uten tildekning (dvs. 400 hastighetsmålinger) og med 100% viftepådrag for både tillufts og avtrekksvifte for å teste anleggets maksimale kapasitet. Trykkfall ble målt over samtlige komponenter ved ulike viftepådrag samtidig som volumstrømmene ble målt. Av målingene ble tilhørende karakteristikker beregnet. Samtlige målinger, med unntak av én, er utført med avtrekksventilene i rommene i åpen posisjon. Avtrekksviftene på toalettene ble satt ut av drift under målingene. Målingene ble gjennomført fra 31. oktober til 1. november 2002, og temperaturen varierte mellom +3 og -0.7 o C i måleperioden. Figur 2. Trykkfall over inntaksventiler. Figur 3. Trykkfall over filter. Fig. 2 og 3 viser trykkfall over henholdsvis inntaksventil og filter. Som vi ser øker trykkfallet nesten proporsjonalt med volumstrømmen, noe som indikerer at laminær strømning dominerer for disse komponenter. Imidlertid observeres en markant økning i trykkfallet over filteret for målingen Q=2.3 m 3 /s (maksimal kapasitet for anlegget under rådende forhold). Dette tyder på at turbulens begynner å gjøre seg gjeldende, og vi kan introdusere et ekstra tapsledd proporsjonalt med Q 2.
Figur 4. Trykkfall over gjenvinner/ettervarmebatteri etter måling over ¼ av arealet Figur 5. Trykkfall mellom fordelingskulvert og avtrekkskanal Fig. 4 og 5 viser trykkfall over gjenvinner/ettervarmebatteri og mellom fordelingskulvert og avtrekkskanal. Når det gjelder gjenvinner/ettervarmebatteri ble alle målinger bortsett fra én gjennomført med ¾ av batteriet tildekket. Det reelle trykkfallet for hele batteriet skulle tilsvare fire ganger den målte volumstrøm dersom man antok homogene forhold for hver av de fire delbatterier. Imidlertid er batteriene installert etter og før bend i strømningsveien slik at Bernoulli-effekten bidrar til en ujevn trykkfordeling både på begge sider av batteriet. Strømningshastigheten varierer derfor betydelig gjennom de forskjellige delene av batteriene ved stor luftmengde, og trykkfallet øker noe. Den øvre kurven av de to er derfor den som antas å representere de faktiske forhold. Av Fig. 5 sees at trykkfallet mellom fordelingskulvert og avtrekkskanal er ekstremt lavt. i Figur 6. Trykkfall over gjenvinnerbatteri og avkastventil i avtrekkstårn Figur 7. Montering av trykkslanger rundt avtrekkstårn Fig. 6 viser trykkfallet over gjenvinnerbatteri og avkastventil for tårnet på taket (Fig. 7). Den store spredningen i måleverdier skyldes vindpåvirkning. Avkasttårnets geometri er trekantet, med tre avkastventiler med hver sitt innenforliggende gjenvinnerbatteri. Avkastventilenes primære oppgave er å hindre inntrengning av nedbør og vind som kan redusere virkningsgraden for varmegjenvinningen. Ved vindstille forhold vil det være like stor utstrømning gjennom ventilene og dermed minst strømningsmotstand. Da vil trykkfallet være i størrelse 15 Pa ved 2.3 m 3 /s. Ved ugunstigste vindretning og hastighet 1-2 m/s vil i størrelse 60% av utstrømningen skje gjennom én ventil, og trykkfallet vil da bli større selv om denne ventilen oppnår en sugevirkning fordi den blir liggende på lesiden. Analyse av vinddata relatert til
målingene har vært forsøkt, men uten hell. Som en tilnærming antar vi derfor en middelverdi P = 12. 5 Q Trykktapene i hele ventilasjonsanlegget er kartlagt. Det totale systemtapet som må overvinnes av vifter samt naturlige drivkrefter kan nå bestemmes. Det kan utrykkes som: 1.15 2 P = 21.3 Q + 8.3 Q + 1.44 Q for Q < 2 m 3 /s 1.15 2 P = 21.3 Q + 8.3 Q + 2.52 Q for Q > 2.2 m 3 /s I Fig. 7 og 8 nedenfor er dette systemtapet inntegnet. I Fig. 7 er viftekarakteristikken med målepunkter for maksimalt pådrag for viftene skissert i samme diagram. Der summen av viftepådraget pluss effekten av termisk oppdrift krysser systemkurven, ligger driftspunktet for anleggets maksimale kapasitet. Vi ser at dette punktet stemmer med den målte Q = 2.3 m 3 /s, hvilket bekrefter at målingene er riktige. Altså,summen av alle målte trykkfall = summen av trykkøkning for vifter pluss termisk oppdrift, slik det også fremgår av tabell 1 og 2. Figur 7. Viftekarakteristikker ved maks. pådrag og systemtrykkfall (heltrukken linje). Figur 8. Viftekarakteristikker for Q =1.2 og med ideell vifteregulering for trykkbalanse. Det framgår av Tabell 1 at det er meget god overensstemmelse mellom det samlede målte trykkfall over komponentene og det som var utgangspunktet ved design 1. En sammenlikning av komponentene viser at inntaksventilene har høyere målt trykkfall og at kombinasjonen av gjenvinner- og ettervarmebatteri har lavere målt trykkfall enn valgte verdier ved design. Det må sies at firma Planconsult-VVS AS, som har dimensjonert ventilasjonsanleggets komponenter, har oppnådd et vellykket resultat til tross for mangelen på dokumentasjon av trykkfall ved lave luftmengder for ulike standardkomponenter. Gjennom en normal skoledag vil i praksis ventilasjonsluftmengden være betydelig lavere enn 2.3 m 3 /s. Luftmengden vil typisk variere opp til maksimalt ca. 1.2 m 3 /s. Fig. 8 viser situasjonen ved denne luftmengden dersom anlegget blir styrt på ideelt vis. Det er ikke tatt hensyn til trykkvariasjoner forårsaket av vind. Pådragsrelasjonen mellom viftene bør da bestemmes ut fra at nøytralaksen (dvs. høyden der P inne = P ute ) i skolebygningen skal ligge ved taknivå i klasserommene når utetemperaturen 1 Tjelflaat, P.O. and E. Rødahl: Design of Fan-Assisted Natural Ventilation, STF22 A97557, SINTEF, Trondheim 1997
er under ca. 20 C. Dette forhindrer eksfiltrasjon av fuktig luft gjennom konstruksjonselementer samtidig som infiltrasjonen blir holdt på et minimum. Tabell 1. Målte trykkfall i luftveiene sammenliknet med utgangspunktet ved design ved tilluftsmengde Q = 2.3 m 3 /s. Tabell 2. Målte trykkøkninger i luftveiene ved Grong barneskole ved en tilluftsmengde lik 2.3 m 3 /s. Design trykkfall [Pa] Målt trykkfall [Pa] Trykkøknings -virkning Komponent i ventilasjonsanlegget Trykkøkning [Pa] Inntaksventil 4 11.8 Tilluftsfilter 26 27.6 Gjenvinner- og ettervarmebatteri Tilluft og avtrekk for rom (ventiler åpne) Gjenvinnerbatteri og avkastventil 22 14.2 4 2.3 26 29.4 Sum trykkfall 82 85.3 Tilluftsvifte 46 Oppdriftsvirkning T = 18.1 ºC h = 8.6m, T ute = -0.6 ºC 6.7 Avtrekksvifte 33 Sum trykkøkning 85.5 For den aktuelle situasjon med T ute = -0.6 o C innebærer dette at det i fordelingskulverten skal være et undertrykk på 5 Pascal sammenlignet med ute. Resulterende viftepådrag for tillufts- og avtrekksviften blir henholdsvis 52.5 og 57,5 %. Disse karakteristikkene er skissert på Fig. 8. Viftemotorene er identiske for de to viftene (0.75 kw ved 100% pådrag), og forskjellen i karakteristikkene skyldes forskjellig bladvinkel og diameter. Ettersom effektpådraget er tilnærmet proporsjonalt med vinkelhastighetspådraget i tredje potens, vil det totale pådraget for denne situasjonen bli ca. 0.25 kw. Det gir teoretisk 3 en SFP faktor lik 0.21 [ kw m / s ], hvilket er ekstremt lavt. Fig. 8 viser også at den termiske oppdriften vil gi ca. 0.2 m 3 /s om viftene stanses (T inne -T ute =18.1 o C) og avtrekksventilene i rommene står i åpen stilling. I praksis styres balanseringen av viftepådragene av en trykktransducer, se Fig. 10, som måler differansen mellom trykket ute og trykket i fordelingskulverten. Da man i designperioden trodde at trykktapet fra fordelingskulverten inn til klasserommene skulle bli noe større enn det viser seg å være, ble reguleringskriteriet satt til null differanse mellom trykket ute og i fordelingskulverten. Det blir i praksis derfor et svakt overtrykk i klasserommene slik at eksfiltrasjon, med tilhørende risiko for kondensasjon, kan finne sted. Det ut for at reguleringen, slik den er installert, har fungert noe ustabilt. Dette kan ha sammenheng med hvordan implementeringen av styringsfilosofien i SD anlegget er utført og med at de installerte trykktransducerne ikke fungerte som antatt ved design.
Figur 9. Kalibrering av trykktransducer. Den stiplede linje viser hvor målepunktene ville ha ligget dersom transduceren var riktig kalibrert i utgangspunktet Figur 10. Landis & Stefa QBM62.1 differansetrykksgiver. Samtlige trykktransducere i anlegget har blitt sammenlignet med målinger, og resultatet for transduceren for filtertrykkfallet er vist i Fig. 9. Når målerne er montert på vertikale flater, slik som tilfellet er for samtlige målere ved skolen i Grong, er måleusikkerheten ifølge produsent ± 3.5 Pa (± 2.5 Pa. hvis montert horisontalt). Av måleresultatene framgår det at trykket overpredikeres betydelig av transducerne i det mest aktuelle måleområdet. Imidlertid ser målepunktene ut til å følge en kalibreringskurve, se Fig. 7, som holder den oppgitte måleusikkerhet. Det er derfor mulig å bruke de målte verdier for å beregne de reelle verdiene. Det er imidlertid grunn til å tro at disse differansetrykksgiverne endrer sin respons over tid, samt at de er følsomme for temperaturendringer. Grunnen er at de føler differansetrykket via en termisk gjennomstrømningsmåler som følgelig har høy temperaturfølsomhet. Luften strømmer gjennom måleren og det betyr at det er høy risiko for nedsmussing, med tilhørende endring i karakteristikken som resultat. Dessuten vil friksjon i trykkslanger kunne påvirke målingene dersom disse er lange og har for små dimensjoner. Imidlertid er det svakeste punktet, når det gjelder bruk av denne type transducere til reguleringsformål, at de kun måler absolutt trykk. De er derfor ikke i stand til å si om trykkdifferansen som måles er negativ eller positiv, noe som er svært problematisk reguleringsteknisk; om signalet tolkes med feil fortegn, vil systemets respons bli motsatt av hva den burde være. Usikkerheten for transducere som skal brukes til regulering av denne type hybride anlegg bør ikke overstige ±2.5 Pascal, hvilket tilsvarer ± 3 m forskyvning av nøytralaksen dersom utendørstemperaturen er 0 o C og innetemperaturen er 20 o C. Fig. 11 viser registrert luftmengde gjennom en vinterperiode. Luftmengden er basert på registrering av filtertrykkfallet på SD-anlegget og på en kalibrering av trykkfallet over filteret mot luftmengden ved ca. 1 m 3 /s. Grafens nøyaktighet er følgelig ikke særlig god ved de laveste luftmengdene, men den illustrerer likevel hvordan luftmengden varierer i praktisk drift. Fig. 11 viser at ventilasjonsluftmengden i driftstiden for denne perioden hele tiden er lavere enn 1 m 3 /s, mens gjennomsnittlig ventilasjonsluftmengde i brukstiden fra kl. 0800 til ca. 1600 er betydelig lavere.
m 3 /s 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:0 10 11 12 13 14 15 tid Figur 11. Registrert tilluftsmengde for barneskolen i perioden 10. 16. mars 2002 Den lave registrerte luftmengden sammenlignet med den dimensjonerende, skyldes behovstyringen av ventilasjonen i kombinasjonen med følgende faktorer: Høy ventilasjonseffektivitet (fortrengningsventilasjon istedenfor omrøring). Forsinket ventilasjonsstart grunnet utnytting av romvolum og takhøyde kombinert med lekkasjeventilasjon av rommene utenom oppholdstiden. Færre tilstedeværende personer enn dimensjonerende. Anlegget ved barneskolen er designet for å benytte lekkasjeventilasjon utenom brukstiden for å fjerne forurensninger avgitt fra materialer og inventar. Det ble tatt sikte på at denne ventilasjonen skulle være helt basert på naturlige drivkrefter. Ønsket størrelse for en slik lekkasjeventilasjon kan diskuteres, men foreslås, som utgangspunkt, en verdi i størrelse 0.1-0.2 m 3 /s for Grong barneskole som regnes ikke å ha spesielt forurensende materialer eller andre kilder i innemiljøet. De gjennomførte målinger viser, se Fig. 8, antyder at trykkfallet for anlegget, med avtrekksventilene i rommene i lukket stilling, som tillater lekkasje, kan bli i størrelse 4 8 Pa. Oppdriftskreftene i bygningen klarer dermed å skape tilstrekkelig lekkasjeventilasjon når utetemperaturen er under frysepunktet. Utformingen av ventilene i avtrekkstårnet sørger for god utnytting av vind i lekkasjesituasjonen slik at lekkasjeventilasjon kan opprettholdes også i sommerhalvåret uten å benytte viftene. Det vil bli arbeidet videre med nærmere dokumentasjon og diskusjon av disse forholdene. Konklusjoner Det må settes høyere krav til nøyaktighet for trykksensorer for overvåkning og styring i ventilasjonsanlegg med lavt trykk enn for tradisjonelle anlegg for mekanisk ventilasjon. For styringen av ventilasjonsanlegget, slik det er gjort ved Grong barneskole, vil det være tilstrekkelig med trykksensorer med nøyaktighet ±2.5 Pa innenfor måleområdet 0-50 Pa. Dersom trykknivået inne i bygningen skal styres i forhold til utendørs, er det helt nødvendig at viktig at trykkets retning vises, samt at nøyaktigheten opprettholdes i ned mot null trykkdifferanse. For overvåkning av trykkfall, kalibrert mot luftmengde, er det ønskelig å ha en sensornøyaktighet lik ±1 Pa i perioder med lave ventilasjonsluftmengder. For ventilasjonsanlegg som har lavere trykkfall i luftveiene enn på Grong barneskole,
dvs. for anlegg basert kun på naturlig ventilasjon, er det viktig med denne nøyaktigheten når ventilasjonsluftmengden skal overvåkes også under vanlig drift. Trykksensorene i et ventilasjonsanlegg med lavt trykkfall bør være meget stabile over tid. Ventilasjonsanlegget ved Grong barneskole viser seg å ha trykkfall over komponentene omtrent som forutsatt ved design. Designverdien for luftmengden underskrides betydelig i praktisk drift, og derved blir trykkfallet gjennom anlegget svært lavt ved normale driftsforhold. Laminær strømning dominerer da for anleggets komponenter, og energibruken til viftedrift er ekstremt lav. Produsenter av ventilasjonskomponenter som egner seg for anlegg med lavt trykkfall henstilles til å lage datablad for trykkfall ned mot 0 Pa og å lage veiledning for montering for å sikre god virkningsgrad ved lave luftmengder. Leverandører av SD-anlegg for naturlig og hybrid ventilerte bygninger henstilles til å velge ut trykktransducere som egner seg bedre enn de som i dag leveres for tradisjonelle mekaniske ventilasjonsanlegg.