Byggnads- automationens grunder System för värme

Transcription

Boken går att beställa från www.siemens.se/sitrain
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Byggnadsautomationens
grunder
System för värme, kyla, ventilation
g
Kompendium nr 1
www.siemens.se/sbt
17
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Innehållsförteckning
1
Byggnadsteknik ......................................................................... 7
Inledning ...................................................................................................... 7
1.2
Byggnadens skal ........................................................................................ 8
1.3
Teknisk utrustning i byggnader ................................................................ 9
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
1.1
1.3.1
2
Byggnadsautomation .................................................................. 11
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
2.3
2.4
3
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
Flöde och tryck ......................................................................................... 47
2.3.1
Laminärt flöde ............................................................................. 47
2.3.2
Turbulent flöde............................................................................ 47
2.3.3
Hastighet och tryck ..................................................................... 49
Värmebalans ............................................................................................. 51
2.4.1
Människans värmehushållning ................................................... 51
2.4.2
Komforttemperatur...................................................................... 53
Värmesystem............................................................................ 57
3.1
Exempel på värmesystem ........................................................................ 57
1
Siemens Building Technologies
Byggnadsautomationens grunder
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
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
3.3
Direktverkande el med värmeackumulering................................68
Fjärrvärme...................................................................................73
3.2.7.1
Värmekällor .................................................................................74
3.2.7.2
Distribution av fjärrvärme ............................................................74
3.2.7.3
Fjärrvärmecentral ........................................................................75
Huvudkomponenter ..................................................................................76
3.3.1
3.3.1.1
3.3.2
Pumpar........................................................................................76
Pump- och systemkarakteristik ...................................................76
Styrventiler ..................................................................................78
2
B01HV_sv
februari 2011
3.4
Injusteringsventiler...................................................................... 79
3.3.4
Säkerhetsutrustning.................................................................... 80
Distributionssystem för uppvärmning.................................................... 84
3.4.1
Självcirkulationssystem............................................................... 84
3.4.2
Pumpsystem ............................................................................... 84
Värmeavgivning i vattenburna värmesystem ........................................ 86
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
3.5
3.3.3
3.5.1
3.6
3.7
4
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
Värmesystem med temperaturer över 100°C ......................................... 89
3.6.1
Hetvattenvärme .......................................................................... 89
3.6.2
Ångvärme ................................................................................... 89
Termoaktiva byggsystem......................................................................... 90
Kylteknik ................................................................................... 92
4.1
Introduktion ............................................................................................... 92
4.2
Frikylning med vatten............................................................................... 94
4.3
Mekanisk kylning ...................................................................................... 96
5
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
Hydraulik i byggnader ........................................................... 108
5.1
Introduktion ............................................................................................. 108
5.2
Hydrauliska system ................................................................................ 109
5.3
5.2.1
Huvudkomponenter i ett hydrauliskt system ............................. 109
5.2.2
Olika hydrauliska kretsar .......................................................... 110
Fördelare ................................................................................................. 113
5.3.1
De olika typerna av fördelare.................................................... 113
3
B01HV_sv
februari 2011
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
fördelnings- eller injektionskretsar.............................................116
5.3.1.4
Typ 4, med huvudpump, trycklös huvudfördelning i
variabelflödes- och blandningskretsar.......................................117
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
5.3.1.5
5.4
Flödesschemor över fördelare ..................................................118
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
5.4.6
Blandningskrets med returinblandning......................................124
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
4
B01HV_sv
februari 2011
6.2.4
6.2.4.1
Fläktar....................................................................................... 140
Fläkt- och systemkarakteristik .................................................. 141
Luftvärmare............................................................................... 143
6.2.6
Kallvattenluftkylare.................................................................... 145
6.2.7
Direktexpanderande luftkylare (DX-kyla) .................................. 145
6.2.8
Luftfuktare................................................................................. 146
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
6.2.5
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
6.3
6.2.11
Sorptiv kylning .......................................................................... 153
6.2.12
Tilluftsdon ................................................................................. 154
Strategier för luftkonditionering............................................................ 154
6.3.1
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
6.4
6.5
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
Enhetsaggregat....................................................................................... 167
6.4.1
Fönsteraggregat ....................................................................... 167
6.4.2
Konsolaggregat......................................................................... 168
6.4.3
Skåpaggregat (rumsaggregat).................................................. 169
6.4.4
Splitaggregat............................................................................. 170
Bostadsventilation.................................................................................. 171
6.5.1
7
Luftburna system ...................................................................... 156
System för mekanisk bostadsventilation................................... 171
Mät- och reglerteknik ............................................................. 173
7.1
Introduktion ............................................................................................. 173
5
B01HV_sv
februari 2011
7.2
Mätning ....................................................................................................174
7.2.1
7.3
Styrning....................................................................................................177
7.3.1
7.4
Mätelement ...............................................................................176
Begrepp rörande styrning..........................................................177
Reglering..................................................................................................178
Begrepp kring reglering (enligt definitionen i DIN 19226) .........181
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
7.4.1
7.5
Byggnadsautomationssystem ...............................................................183
6
B01HV_sv
februari 2011
1
Byggnadsteknik
1.1 Inledning
Byggnadstyper
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Inomhuskomfort
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.
Byggnadsautomation
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.
7
B01HV_sv
februari 2011
1.2 Byggnadens skal
Skydd mot omgivningen
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Säkerhet
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.
Energi
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.
8
B01HV_sv
februari 2011
1.3 Teknisk utrustning i byggnader
Den tekniska utrustningen varierar beroende på typen av byggnad och dess
användning.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 1-3
System för driftteknik
och teknisk utrustning
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.
9
B01HV_sv
februari 2011
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.
Funktioner hos värmeoch ventilationssystem
Beroende på värme- och ventilationssystemets syfte, kan dess funktioner delas in i två
underområden:
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Värmeinstallationer
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
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.
Luftkonditionering
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.
Strategi som definieras av
energikostnader och
miljöpåverkan
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.
10
B01HV_sv
februari 2011
1.3.1
Den intelligenta
byggnaden
Byggnadsautomation
Byggnadsautomationen måste uppfylla olika krav beroende på byggnadens syfte.
Följande tre huvudkrav finns:
1.
2.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
3.
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.
Byggnadens skal måste skydda boende, användare och deras egendom mot brandeller vattenskador, skador på utrustning eller attacker från tredje part.
Det ska vara möjligt att uppfylla dessa krav med acceptabla investeringskostnader
och minimala efterföljande kostnader för energi, drift, underhåll och belåning.
7
Kommunikation
19
Strömförsörjning
11
14
18
10
8
25
1 1
15
15
21
23
20
6
24
13
4
5
26
4
2
2
16
3 3
12
9
22
17
Fig. 1-4 Den intelligenta byggnaden
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
Belysningsstyrning (närvaro och tid)
Porttelefon, fjärrkontroll
Rörelsedetektor inomhus
Vindgivare (t.ex. skydd av markiser)
Dörrkontakt
Regndetektor (t.ex. automatisk stängning av
takfönster)
Radiatorventil med ställdon
Reglering av rumstemperatur
Utetemperaturgivare
Styrning av jalusier och persienner
Central manöverenhet
TV för övervakning
Tidsstyrd diskmaskin
2
4
6
8
10
12
Central larmbetjäningsenhet
Fönstersensorer
Rörelsedetektor utomhus
Utomhussiren med blixtljus
Styrt vägguttag
Fuktsensor
14
16
18
20
22
24
26
Solstyrda markiser
Pannstyrning
Solfångare
Infraröd fjärrkontroll
Porttelefon med videokamera
Tidsstyrd ugn
Tidsstyrd tvättmaskin
11
B01HV_sv
februari 2011
Projektering av teknisk
utrustning i byggnader
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
12
B01HV_sv
februari 2011
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:
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
• 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.
SI-enheter
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).
13
B01HV_sv
februari 2011
2.2 Värmelära
Hur uppstår värme?
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Tillståndsändring
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
Strålning
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
14
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 2-2 Elektromagnetisk strålning genom elektronernas återgångsenergi
Värmelärans nollte
huvudsats
Om två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller
materia tills de är i jämviktsläge.
Värmelärans första
huvudsats
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.
15
B01HV_sv
februari 2011
Värmelärans andra
huvudsats
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Värmelärans tredje
huvudsats
Alla processer upphör vid absoluta nollpunkten (0 K)
Temperatur
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.
Celsius
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
Kelvin
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.
16
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 2-3 Temperaturskalor
Jämförelse och
omvandling mellan de
olika skalorna
Nollpunkt:
Celsiusgrader till Kelvin:
Celsiusgrader till Fahrenheit:
Exempel:
0°C
K
°F
=
=
=
273,15 K = 32°F
°C + 273,15
°C * 1,8 + 32
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.
tF
t4
t2
t1
t3
t
tm
t5
3
t4
t2
t1
tR
Fig. 2-4 Indexering av olika temperaturer i samma objekt
17
B01HV_sv
februari 2011
2.2.1
Värmeutvidgning i fasta ämnen
Värmeutvidgning
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.
Linjär utvidgning
Inledningsvis görs en jämförelse av skillnaden i utvidgning vid uppvärmning av en ståloch en kopparstav som båda är en meter långa:
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
18
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
5003 mm 70°C
5000 mm 20°C
+ 3 mm
/50°C
Fig. 2-5 Värmeutvidgning hos en radiator av stål
Ämnenas värmeutvidgning innebär inte enbart problem, de kan även utnyttjas tekniskt.
Bimetall
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).
19
B01HV_sv
februari 2011
t
t
1
2
3
4
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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 temperaturregulatorer 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.
20
B01HV_sv
februari 2011
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].
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Volymutvidgning
β,10-3/K
1,20
0.7
Vätska
Bensin
Eldningsolja
Vätska
Vatten (20-70°C)
Toluen
β,10-3/K
0,20 till 0,59
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.
1
2
3
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).
21
B01HV_sv
februari 2011
2.2.3
Volymändring
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
1 090,0
liter
0°C
cirka
1 000,2
liter
2°C
1 000,1
liter
4°C
1 000,0
liter
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
– 1°C
10°C
1 000,4
liter
20°C
1 001,8
liter
30°C
1 004,4
liter
40°C
1 007.9
liter
50°C
1 012,1
liter
60°C
1 017,1
liter
70°C
1 022,8
liter
80°C
1 029,0
liter
90°C
1 035.9
liter
100°C
1 043,5
liter
Volymändring 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.
22
B01HV_sv
februari 2011
Densitet
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
18.7
Bly
11.35
Järn
7,86
Aluminium
2,699
Sand (torr)
1,5-1,6
Betong
1,5-2,4
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Uran
Vatten (vid 4ºC)
1,000
Vatten
0,9982
Is (vid 0ºC)
0,917
Trä (torrt)
Skummaterial
0,4-0,8
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.
23
B01HV_sv
februari 2011
Temperaturskiktning
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
tm
t1
t1
t2
t2
Fig. 2-9 Temperaturskiktning i strömmande vatten i en rörledning
Sammanfattning
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.
Vattnets anomali
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.
1
V
+ 10°C
Fig. 2-10
11
V
V
0°C
- 10°C
Vattnets volymökning vid frysning
24
B01HV_sv
februari 2011
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.
Förångning
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Kokpunkten
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.
25
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
0,7 bar
1 bar
90°C
100°C
1,5 bar
m över
ü. M. havsytan
00 m
Fig. 2-13
3 000 m över havsytan
110°C
Lufttrycket och vattnets kokpunkt beror på höjden över havsytan
26
B01HV_sv
februari 2011
Vattnets kokpunkt, dvs. den temperatur där vattnet övergår från fast form till ånga, är
beroende av trycket enligt nedanstående diagram (Fig. 2-14).
(°C)
210
200
190
180
170
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
160
150
140
130
120
110
100
90
Temperatur
80
70
60
50
40
100 200
0
0
1
300 400 500 600
2
3
4
5
6
700 800
7
8
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
(kPa)
(bar)
Tryck
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).
t (°C)
115
D
B
100
C
28,3
-335
10
0
Fig. 2-15
419
2257
A
0
419
2676 2704,3
h (kJ / kg)
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).
27
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
Sammanfattning
Sensibel värme
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
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
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.
10 cm
1 cm²
ΔΤ = 100 K
Järn
+ 0,036 cm³
Vatten
+ 0,21 cm³
Luft
+ 3,65 cm³
Fig. 2-16
Värmeutvidgning hos järn, vatten och luft
28
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Boyle-Mariotts lag
Tryck:
Densitet:
Gay-Lussacs lag
p1 * V1 = p2 * V2
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
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.
Stigkraft
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).
29
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
3m
2m
1m
0m
18°C
Fig. 2-17
20°C
22°C
24°C
26°C
28°C
Rumstemperatur beroende av höjden
Vi har berört ämnet ”värmeutvidgning i gaser”. Kunskap om de andra gaslagarna
är nödvändigt för förståelse av luftkonditioneringssystem.
30
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Storheterna som används för att beskriva lufttillståndet kallas variabler. De används
också vid luftkonditionering. De viktigaste är lufttemperatur, luftfuktighet och lufttryck.
Ren torr luft
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.
Luftfuktighet
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.
Exempel på de viktigaste
förhållandena
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.
31
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 2-18
hx-diagram eller Mollierdiagram
hx-diagram
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 hxdiagram eller så kallat Mollierdiagram, efter den tyske fysikern Richard Mollier (18631935).
Sammanfattning
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
32
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Värmeinnehållet i ett ämne betecknas med Q [kJ].
Specifik värmekapacitet
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
Väte
Helium
Vatten
Oljor
Luft
Stål
Koppar
ci
kJ/kg K
14,25
5,24
4,19
≈ 2,00
1,0
0,48
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.
33
B01HV_sv
februari 2011
Värmeinnehåll Q
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
90°C
- 16 760 kJ
90°C
70°C
+ 16 760 kJ
Fig. 2-19
Värmeeffekt P
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
Förhållandet Joule och
Watt
P = 4,66 kJ/h =4,66 kW
För att få en uppfattning om värmeinnehåll hos olika ämnen, undersöker vi nu den
värmeenergi som vanliga bränslen ger:
Ämne
Propangas
Eldningsolja
Naturgas
Stenkol, koks
Stadsgas
Pellets
Värmeinnehåll
[kJ/kg]
[kJ/l]
≈ 46 000 ≈ 93 000
≈ 42 000 ≈ 35 500
≈ 39 000 ≈ 34 000
≈ 30 000
≈ 16 000
≈ 21 000 ≈ 14 000
Värmeeffekt/h
[kW/kg]
[kW/l]
≈ 12.75
≈ 25,75
≈ 11,6
≈ 9,75
≈ 10,8
≈ 9,5
≈ 8.3
≈ 4,4
≈ 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.
34
B01HV_sv
februari 2011
2.2.6.1
Joule och Watt
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Energi
=
=
=
=
kraft * sträcka
massa (kg) * acceleration (m/s2)
meter (m)
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.
m
h
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
35
B01HV_sv
februari 2011
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.
Värmeledning
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
2.2.8
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).
t
t
Fig. 2-22
Värmeledningsförmåga
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.
36
B01HV_sv
februari 2011
Värmeledningsförmågan λ har enheten W/m K.
ΔΤ = 1K
λ i W/mK
Koppar
Cu
Järn
Fe
360
360
48
48
1.2
1,2
Tegel
Ziegel
0.6
0,6
Vatten
Wasser
0.6
0,6
Luft
Luft
0,025
0,025
Kork
Kork
0,03
0,03
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Betong
Betong
1m
Fig. 2-23
1m
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 värmeledningsförmåga.
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.
37
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Konvektion
Förmågan att ”ta med, medföra och hämta värme” kallas värmeflöde genom
konvektion.
Fria och påtvingade
strömningar
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:
•
•
•
•
Värmeövergångskoefficient
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)
Exempel
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
Strömmande luft
Stillastående vatten
Strömmande vatten
3 till
20 till
20
100
500 till 2 000
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
38
B01HV_sv
februari 2011
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.
Värmeflöde
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:
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Värmeflöde (Φ) = α * A * (tv - tM) [W/m2K* m2K] = [W]
Φ=α
A (tv - tM )
α
tv
tM
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
39
B01HV_sv
februari 2011
Värmegenomgång
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
α2
rumsluft/väggens inneryta och
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.
λ1 λ2
λ3
d1 d2
d3
ϑ
t1 2
ϑt21
uk
Ф
Φ == uk • AA(t(1ϑ–1 t-2)ϑ2 )
Fig. 27
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.
40
B01HV_sv
februari 2011
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.
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Några exempel:
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.
41
B01HV_sv
februari 2011
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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 diatermiska, 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.
Strålningskonstant C
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
Svart kropp
Murverk, med puts
Oljefärg (alla kulörer)
Vatten
Vit, blank emalj
Aluminiumfärg (bronsfärg)
Högblank metall
C i W/m2 K4
≈ 5.75,10-8
≈ 5,40,10-8
≈ 5,40,10-8
≈ 5,40,10-8
≈ 5,20,10-8
≈ 2,20,10-8
≈ 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
42
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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. 2höger).
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)
43
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
44
B01HV_sv
februari 2011
2.2.11
Blandningstemperatur
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:
Qin = Qut
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
m1 ∗ c 1 ∗ (t m − t1 ) = m 2 ∗ c 2 ∗ (t 2 − t m )[°C]
tm =
m1 ∗ c 1 ∗ t 1 + m 2 ∗ c 2 ∗ t 2
[°C]
m1 ∗ c 1 + m 2 ∗ c 2
eller förenklat för blandning av två ekvivalenta vätskor c1 =c2:
tm =
m1 ∗ t 1 + m 2 ∗ t 2
[°C]
m1 + m 2
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
Värmeöverföringens
dynamiska beteende
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.
45
B01HV_sv
februari 2011
Exponentiell funktion
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 .
ϑ
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
ϑmax.
86
,4%
Δϑ
63
,2%
ϑ0
95
%
98
%
99
9
,3% 9,74 99,9% 99,99
%
%
Δϑ
t
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Fig. 32
Fig. 2-30
Temperaturändring per tidsenhet
Närmare 2/3 (matematiskt exakt: 0,632 eller 63,2 %) av den totala temperaturdifferensen 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.
Exempel
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.
46
B01HV_sv
februari 2011
2.3 Flöde och tryck
Flöde
Ett flöde är den kontinuerliga rörelsen hos vätskor och gaser.
Vi skiljer mellan
– laminärt flöde
– turbulent flöde
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Friktionsfritt 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.
Friktionsflöde
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
2.3.2
Hastighetsprofil vid laminärt flöde
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
Reynoldstal
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.
47
B01HV_sv
februari 2011
Flödesmotstånd
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
Δp
1,5
1,0
0,5
ζ = 14
0
ζ = 12
ζ = 0,76
ζ = 0,2
ζ = 0,38
Δp
0,5
ζ = 0,4
0
ζ = 0,21
ζ = 0,3
ζ = 0,2
ζ = 0,18
ζ = 0,11
FIg. 35
Sänkning av Δp med hjälp av olika former på rör eller ventilationskanaler och genom
installation av deflektorer
Fig. 2-33
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.
10 cm
0
Fig. 2-34
10
20
30
40
50
60
70
80
90 [cm]
Cirka 7m
Flödesprofil uppmätt efter en 90°-krök
48
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
A = diameter [m2]
w = hastighet [m/s]
A1
A2
W1
w1
A1
v
A2
W2
v
a)
W2
Pstat1
Pstat2
b)
Fig. 37
Fig. 2-35
Kontinuitetsekvation
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
pstat
pdyn
= totalt tryck i Pa
= statiskt tryck (tryck mot atmosfär) i Pa
= 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
49
B01HV_sv
februari 2011
Därigenom kan man fastställa hastigheten och därmed flödet som följer av
tryckdifferensen med hjälp av ett pitotrör (Fig. 2.36).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Ptot 1
Pstat 1
Pdyn 1
Ptot 1
ΔPtot
Ptot 1
Ptot 2
Pdyn 2
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.
Po
B14-39
Fig. 2-37
Tryckprofil i ett ventilationssystem
50
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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)
35 %
6%
35 %
24 %
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
51
B01HV_sv
februari 2011
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).
W
80
100
110
120
170
300
700
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
Sekundärvärme
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.
52
B01HV_sv
februari 2011
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Operativ temperatur
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.
53
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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”.
15 °C
18 °C
12 °C
Fig. 2-41
17 °C
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.
C
30°
25°
20°
15°
10°
10°
Fig. 2-42
15°
20°
25°
30° C
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.
54
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
30 ... 32 °C
2,5 m
40 ... 70 °C
25 ... 26 °C
Fig. 2-45 Värmeutbyte i system med radiator, golv- och takvärme
Dessa komforttemperaturer ska beaktas som genomsnittsvärden för bostäder, arbetsrum 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.
Komfortpåverkande
faktorer
Det finns med andra ord inte något fast värde för en behaglig temperatur eftersom det
finns många faktorer som påverkar komfortnivån.
Lufttemperatur
Se ovan
Strålningstemperatur
Se ovan
Luftfuktighet
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.
Luftrörelse
För stor luftrörelse vid normal temperatur ökar mängden värmeöverföring genom
förångning eller konvektion och detta upplevs som kallt eller dragigt.
Luftens renhet
Rök, damm och unken luft skapar obehag.
Syreinnehåll
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.
55
B01HV_sv
februari 2011
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.
Biometeorologi
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.
Övriga faktorer
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Joniseringsgrad
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.
56
B01HV_sv
februari 2011
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:
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
• 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
57
B01HV_sv
februari 2011
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:
Typ A
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Typ B
Pannor för utetemperaturstyrd reglering av pannvattnet och relativt hög rökgastemperatur. 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.
Typ C
Rostfria pannor för utetemperaturstyrd reglering av pannvattnet och låg rökgastemperatur. Om pannan tillverkas av korrosionsfritt material försvinner de begränsningar som finns hos typ A och B. Priset är dock högre för en rostfri panna.
Typ D
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.
Separat värmare för
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.
Separat panna för
varmvattenberedaren
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.
58
B01HV_sv
februari 2011
3.2.1.3 Brännare
Följande typer av brännare används idag för olje- och gaseldade pannor.
Oljespridarbrännare
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
2
10
6
8
9
7
Fig. 1
Fig. 3-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Funktionsprincip för brännare med oljespridare
Oljetillförsel
Eventuell retur till tank
Filter
Oljepump och självverkande styrventil för tryckreglering
Magnetventil
Munstycke
Fläkt
Brännarhuvud
Tändspole
Tändelektroder
Fig. 3-3 Installation med flera pannor med oljespridarbrännare (den längst bak med ljudisolerande kåpa)
Blålågebrännare
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.
Effektstyrning
Oljebrännare effektstyrs vanligen enligt följande:
1-stegs brännare
2-stegs brännare
Modulerande brännare (cirka 40-100 % effekt)
från cirka
från cirka
från cirka
10 kW
25 kW
200 kW
59
B01HV_sv
februari 2011
Fläktgasbrännare
Har samma konstruktion och effektstyrning som oljespridarbrännare men avsedd för
gas. Huvudproblemet är gasförsörjningsrörets trycktäthet. Gasdetektorn (3) övervakar
gasförsörjningssystemet med avseende på läckor.
3
7
2
5
4
6
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
1
Fig. 2
Fig. 3-4
1
2
3
4
5
6
7
Kombinationsbrännare
Fläktgasbrännare
Fläkt
Spjäll
Gasdetektor
Gasinjektor
Brännarhuvud
Tändspole
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, 2stegs 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.
7
8
6
9
5
4
10
11
3
2
12
13
1
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
60
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3
Fig. 3-6
1
2
3
4
5
6
Atmosfärisk gasinjektorbrännare
Gastillförsel
Gasdetektor
Gasinjektor
Brännare
Flamvakt
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
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 %.
Underförbränning
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.
61
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
62
B01HV_sv
februari 2011
Träpellets
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
•
•
•
•
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.
63
B01HV_sv
februari 2011
1
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
3
Fig. 3-11
1
2
3
3.2.2
2
Anläggning med träpelletspanna (källa: Oekofen)
Pelletspanna
Pelletslagring
System med vakuummatning
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 vilken omfattning täcks
värmebehovet av solen?
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.
64
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
1
ϑ1
5
2
4
3
R
6
ϑ2
A
B
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 värmemediet, 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.
65
B01HV_sv
februari 2011
2
4
3
1
Fig. 6
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-13
1
2
3
4
Plan glasad solfångare (inbyggd i taket)
Hölje av stålplåt
Glaspanel
Absorbator
Värmeisolering
Plana solfångare har en svart absorbator där solstrålningen omvandlas till värme.
Absorbatorn har kylkanaler som värmeöverföringsvätskan cirkulerar genom. Absorbatorn 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.
Värmekapacitet
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 3040 % 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.
Temperaturstabilitet
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.
66
B01HV_sv
februari 2011
Vilken
ackumulatorstorlek
krävs?
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Exempel 1
Exempel 2
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.
R
Fig. 3-14
Exempel 3
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.
67
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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:
–
–
–
Den ekonomiska
effektiviteten hos
solvärmesystem
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.
2.
Ett behovsstyrt luftflöde för över värmen från ackumulatorn till luft/vattenvärmeväxlaren
En rörlig värmeväxlare förs in i ackumulatormassan på ett djup som varierar
beroende på värmebehovet.
68
B01HV_sv
februari 2011
5
7
11
6
8
2
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
1
10
3
12
9
4
B16-9
Fig. 3-16
1
2
3
4
5
6
Princip för ackumulator med fast massa med cirkulerande luft
Ackumulatorblock
7
Utomhusgivare
Värmeelement
8
Styrenhet för urladdning
Värmeväxlare
9
Fläkt
Värmeisolering
10
Motor
Styrenhet för laddning
11
Framledningsgivare
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
69
B01HV_sv
februari 2011
3.2.5
Funktionsprincip
Värmepumpar
Konstruktionen av och funktionen hos en värmepump är tekniskt sett identisk med den
hos en kylmaskin eller kylare. Kompressorns och absorptionskylmaskinens/värmepumpens funktionsprincip beskrivs i avsnitt 4 (Kylteknik).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
Luft/vatten
värmepumpar
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.
Vatten/vatten
värmepumpar
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.
70
B01HV_sv
februari 2011
3.2.6.1 Kraftvärmeapplikationer
Nedan följer en kortfattad sammanfattning av de olika applikationstyperna
–
–
–
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Varför kraftvärme?
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 värmeförbrukarna kan 30-35 % av det totala värmevärdet hos bränslet utnyttjas som
höggradig elkraft och ytterligare 50-55 % som värmeenergi. Med andra ord kan 8095 % 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.
Användning av en
kraftvärmeanläggning
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 bränslecelltekniken befinner sig på randen av ett betydande tekniskt och kommersiellt genombrott
som kommer att revolutionerna den mobila och stationära energiförsörjningen under
2000-talet.
71
B01HV_sv
februari 2011
Funktionsprincip
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Skillnaden mellan bränslecellen och batteriet är att bränsleceller fortsätter att producera
elektricitet och värme så länge bränsle tillförs.
Luft
Katod
Elektrolyt
O2
O2
O2
O2
Extern
kraftkrets
Anod
Bränsle (H2, CO)
Fig. 3-18
Fördelar
H2O, CO2
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
Olika typer av
bränsleceller
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.
72
B01HV_sv
februari 2011
Märkning
Användning (exempel)
Alkaline fuel cell (alkalisk
bränslecell)
AFC
Rymdfärder, militära applikationer
Polymer electrolyte
fuel cell (polymerelektrolytbränslecell)
PE(M)FC
Mobil och stationär – lågt till
mellanuteffektintervall
Phosphoric acid
fuel cell (fosforsyrabränslecell)
PAFC
Stationär – mellanuteffektintervall
Molten carbonate
fuel cell (smältkarbonatbränslecell)
MCFC
Stationär – mellanuteffektintervall
Solid oxide fuel cell
(fastoxid-bränslecell)
SOFC
Stationär – lågt till högt uteffektintervall
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Celltyp
Fig. 3-19 Bränslecelltyper och deras användningsområden
Valet av elektrolyt påverkar kraven på bränslecellens bränsle, oxidant, driftstemperatur
och konstruktion.
Typ
Bränsle
AFC
Oxidant
Ren H2
Luft + H2
Elektrolytens fysiska
Jonernas passage
tillstånd
genom elektrolyten
Drifttemperatur
Fast
OH-
Cirka 70°C
Fast
H+
Cirka 80°C
(utan CO2)
PE(M)FC
Ren H2
PAFC
H2
MCFC
Luft (utan CO)
CH4, H2, CO
SOFC
Luft + CO2
CH4, H2, CO
Fig. 3-20
Luft
+
Vätska i en matris
H
Smält
CO322-
Fast
O
Cirka 200°C
Cirka 650°C
Cirka 700-1000 °C
Bränsle, oxidant och drifttemperaturer för olika bränslecelltyper
3.2.7
Vad är fjärrvärme?
Luft (utan CO)
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
B
2
Q1
Q2
ΔQ12
Fig. 3-21
1
2
3
4
3
4
Q3
ΔQ23
B16-17
Fjärrvärmenät med de fyra huvuddelarna
Värmeproduktion
Distributionsnät
Fjärrvärmecentral
Lokal installation
73
B01HV_sv
februari 2011
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 vattenreningsverk. 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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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 maskformigt 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.
1
a)
1
1
b)
1
1
c)
Fig. 3-22
a)
b)
c)
1)
Distributionsnät för fjärrvärme
Radialnät
Ringnät
Maskformigt nät
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
74
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
2
3
1
A
Fig. 3-23
A
B
C
1
2
3
4
4
B
C
Fjärrvärmecentral (exempel)
Distributionsnät
Fjärrvärmecentral
Lokal installation
Värmemätare
Ev. tryckreglering
Temperaturreglering av lokal installation
Värmeväxlare
Vill du veta mer?
Styrning och reglering av värmesystem beskrivs i kompendiet
”Styr & reglerfunktioner i värmesystem”
utgivet av Siemens AB BT, Utbildning
75
B01HV_sv
februari 2011
3.3 Huvudkomponenter
3.3.1
Funktion
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-24
Pumpkarakteristik
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 ( V& ).
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).
Δp, H
1
2
3
4
.
V
Fig. 3-25
1
2
3
4
Pumpkarakteristikkurvor
Brant neråtlutande karakteristik
Flack neråtlutande karakteristik
Horisontell karakteristik, konstant drivtryck (med varvtalsstyrning)
Uppåtgående karakteristik, flödesberoende drivtryck (med varvtalsstyrning)
76
B01HV_sv
februari 2011
Systemkarakteristik
Nödvändigt pumptryck beror, som redan nämnts, på tryckfallet i systemet. Tryckfallen
är kvadratiska som en funktion av volymflödet V& , enligt följande formel
&2
Δp = V
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Flödesändringar i systemet (t.ex. en stängande styrventil) leder till ökande pumptryck
om en pump med konstant varvtal används (Fig. 3-26).
Δp
3
1
2
.
V
Fig. 3-26
1
2
3
Varför bör varvtalsstyrning användas?
Pumpens arbetspunkt från systemkarakteristik och pumpkarakteristik
Pumpkarakteristik (vid ett givet varvtal, n)
Systemkarakteristik vid nominellt flöde (fullt öppen styrventil)
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 .
Δp
Δp2
2
I
Δp1
1
n1
Δp3
3
n2
Fig. 3-27
I
1
2
3
.
V
Arbetspunkter vid 50 % volymflöde
Systemkarakteristik
Arbetspunkt vid nominellt flöde
Arbetspunkt vid 50 % volymflöde och pump utan varvtalsstyrning
Arbetspunkt vid 50 % volymflöde och pump med varvtalsstyrning
77
B01HV_sv
februari 2011
Pumpens effektbehov följer, liksom det tidigare nämnda tryckfallet, en regel.
Effektförbrukningen är approximativt lika med kubiken hos volymflödet V&
P ≈ V& 3
Exempel:
Volymflöde 50 %
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Effektbehov
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
78
B01HV_sv
februari 2011
2-vägsventiler
2-vägsventilens öppningsarea ökas eller minskas när lyfthöjden ändras. Detta ger ett
varierande volymflöde.
3-vägsventiler
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Hydraulisk balansering
Denna process kallas hydraulisk balansering. Den är nödvändig för att systemet ska
fungera felfritt.
Fig. 3-30 Konstantflödessystem med injusteringsventiler (grönmarkerade)
Injusteringsventil
79
B01HV_sv
februari 2011
3.3.4
Säkerhetsutrustning
Beroende på typen av installation krävs olika säkerhetskomponenter. De viktigaste är:
•
•
•
•
Säkerhetstemperaturgivare
Säkerhetstemperaturbegränsare
Säkerhetsventiler
Expansionskärl
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
3
1 2
4
Fig. 3-31
1
2
3
4
Säkerhetsutrustningar i ett lågtempererat värmesystem med slutet expansionskärl
Säkerhetsventil
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 gränsvärdestemperaturen nås. De här enheterna måste återställas manuellt på plats (ibland
80
B01HV_sv
februari 2011
med ett verktyg) och detta kan inte göras förrän felet som fick temperaturbegränsaren
att aktiveras har avhjälpts och temperaturen åter har sjunkit under gränsvärdet.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-32 Säkerhetstemperaturgivare och säkerhetstemperaturbegränsare för installation i en panna
Säkerhetsventil
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.
1
Fig. 3-33 Säkerhetsventil, genomskärning och installerad med ett (rött) avledningsrör
Expansionskärl
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:
–
–
–
–
Funktionsprincip
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.
81
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-34
Expansionskärl med membran (vänster), expansionskärl för ett litet system (höger)
Mellankärl
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
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)
82
B01HV_sv
februari 2011
Avluftare
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Mikrobubbelavskiljare
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.
Undertrycksavgasare
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
83
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-36 Självcirkulerande distributionssystem med ett öppet expansionskärl
3.4.2
Tvårörssystem med
medmatning
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.
2
1
3
1
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.
84
B01HV_sv
februari 2011
Tichelmann-systemet
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-38 Vanligt tvårörssystem (vänster) och Tichelmann-system (höger)
Ettrörssystem
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
85
B01HV_sv
februari 2011
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Förhållandet mellan strålningsvärme och konvektion hos en fristående värmare av
radiatortyp beror på dess konstruktion.
·
Fig. 3-40
Vänster
Mitten
Höger
·
·
Värmeeffekt från värmeavgivare av radiatortyp
Huvudsakligen genom strålning (panelvärmare)
Genom strålning och konvektion (konventionell radiator)
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.
Inklädnad
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.
Installation
Om de minimiavstånd som tillverkaren angett för väggar, golv och fönsterbänkar inte
följs, kan värmeeffekten reduceras med 15 % eller mer.
Anslutning
Om en radiator inte är ansluten på konventionellt sätt (med framledningen upptill och
returen nedtill) kan värmeeffekten reduceras med upp till 25 %.
Luftens densitet
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.
Färg
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.
86
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-41 Golvvärme med fördelare (i bakgrunden)
Golvvärme eller
lågtemperaturradiatorer?
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.
För- och nackdelar med
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
87
B01HV_sv
februari 2011
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)
–
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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. 3-42
a)
b)
c)
d)
Fig. 32
De fyra grundtyper av takvärme
Takvärmerör
Lamelltakvärme
Undertaksvärme
Strålningstakvärme
Idag används strålningstakvärme praktiskt taget endast industriellt, t.ex. i lager, fabriker
och hangarer.
88
B01HV_sv
februari 2011
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
–
–
–
Hetvattenvärme
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
3.6.1
Distribution av fjärrvärme och områdesvärme
Uppvärmning av stora hallar
Processvärme för industrin
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 produktionsanläggningar. 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
–
–
–
–
–
–
–
3.6.2
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
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.
89
B01HV_sv
februari 2011
3.7 Termoaktiva byggsystem
Betongtak för
ackumulering av värme/kylenergi och för
strålningsuppvärmning/avkylning
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-43 Integrerade rörledningar för temperering av det exponerade innertaket mellan våningarna i en
byggnad (Källa: Zent-Frenger)
Tempererat vatten
cirka 18-26 °C
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.
I praktiken …
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.
Användning av
alternativa källor för
uppvärmning och
avkylning
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).
90
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 3-44 Fundamentpåle (vänster) och bottenplatta (höger) som utnyttjar markvärmen
(Källa: Zent-Frenger)
Värmepump/kylmaskin
med changeoverfunktion
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 termoaktiva komponenter, kan denna potential utnyttjas till fullo. Om värmepumpen är korrekt
dimensionerad kan en årlig energiverkningsgrad på 4,5 till 5 uppnås.
Luftburna termoaktiva
system
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)
91
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Mekanisk kylning
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.
Energidistribution
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.
Användningsområden
för kylteknik
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.
92
B01HV_sv
februari 2011
Tabellen nedan visar exempel på applikationer för kylteknik inom olika områden
Livsmedelsteknik
Processteknik
Ventilationsteknik
Tillverkning
Bryggerier
Trålare
Kemisk industri
Bortledning av reaktions- och
lösningsvärme
Kristallisering av salter
Vätskebildning och separation av
gaser
Luftkonditionering
Monteringsrum
Teatrar, kontor, etc.
Sjukhus
Tryckerier
Badhus
Gruvor
Raffinaderier
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Transport
Fartyg
Järnväg
Väg
Flyg
Lagring
Fryslager
Kyllager
Kryoteknik
(Låg temperatur)
Produktion av ädelgaser
Supraledarteknik
Försäljning
Visningsskåp
Maskiner för dryckesförsäljning
Byggteknik
Schaktsänkning
Avkylning av betong
Hushåll
Kylskåp
Frysar
Medicin
Blodbanker
Kryoanestesi
Rymdindustrin
Simulering av miljö
Vindtunnel
Tillverkning
Materialtestning
Precisionsmätmiljö
Vakuumteknik
Marina transporter
Flytande gas
Sportarenor
Isar
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.
Metoder för generering
av kylenergi
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.
93
B01HV_sv
februari 2011
4.2 Frikylning med vatten
Grundvatten, vatten från sjöar eller floder, eller kranvatten i temperaturer från cirka 618 °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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Evaporativ kylning
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:
Kylning med luftkylare
– 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”).
94
B01HV_sv
februari 2011
För- och nackdelar med frikylning
Fördelar:
•
•
Enkel systemkonstruktion
Vatten är alltid tillgängligt som en energikälla
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
95
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Värmepump
Exempel
vatten/vatten värmepump
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:
Från fast till flytande
Från flytande till fast
Från flytande till gas
Från gas till flytande
Från fast till gas
Från gas till fast
Vattnets
tillståndsändringar
Beteckning:
Smältning
Fusion (för vatten: frysning)
Förångning
Kondensering
Sublimation
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).
96
B01HV_sv
februari 2011
Diagram över
temperatur/entalpi
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.
t (°C)
115
D
B
100
C
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
28.3
-335
419
10
0
2257
A
0
419
2676 2704.3
h [kJ / kg]
Fig. 5
Fig. 4-2
A-B:
B-C:
C-D:
Diagram över temperatur/entalpi
Uppvärmning av vätskan (sensibel värme)
Förångning (latent värme)
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).
97
B01HV_sv
februari 2011
Smältning/frysning
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.
1 kg
0 °C
335 kJ
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
0 °C
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.
Uppvärmning
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.
Log p (bar)
100
10
1
0,1
0,01
0,001
-100
0
100
200
300
400 t (°C)
Fig. 6
Fig. 4-4 Vattnets kokpunkt som en funktion av lufttrycket
98
B01HV_sv
februari 2011
Förångning
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
2676 kJ
100 °C
1 kg
419 kJ
2257 kJ
Fig. 4-5 Förångningsprocess och höjning av vattnets entalpi
Överhettning
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
cp
t
ts
= Massa [kg]
= Specifik värme hos den överhettade ångan [kJ/kg K]
= Temperatur hos den överhettade ångan [°C]
= Vattnets koktemperatur [°C]
2676 kJ
1 kg
100 °C
2704,3 kJ
100 °C
+ 28,3 kJ
Fig. 4-6 Överhettad ånga och höjning av ångans entalpi
99
B01HV_sv
februari 2011
Kondensering
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.
2
2257 kJ
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
1
3
4
Fig. 4-7
1
2
3
4
Diagram över
entalpi/tryck
(h/logp-diagram)
Kondensering
Mättad ånga (1 kg), 100°C
Kallt kylvatten
Uppvärmt kylvatten (+2 257 kJ)
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.
t (°C)
3
bar
374
221
4
2
6
1
5
100
1,013
6.98
A
2257
B
0.01
0
419
2107.4
2676
h [kJ / kg]
Fig. 7
Fig. 4-8
1
2
3
4
5
6
A-B
Diagram över entalpi/tryck för vatten (h/logp-diagram)
Gränslinje för vätska (förångningen inleds)
Underkylt område (vatten)
Kritisk punkt för vatten/ånga
Överhettat område (ånga)
Gränslinje för mättad ånga
Blandningsområde vätska/ånga (vatten/ånga)
Latent förångningsvärme vid p = 1,013 bar (2 257 kJ/kg)
100
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Krav på köldmediet
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, ickebrännbart 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 köldmedium 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”.
101
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
De fyra komponenterna som verkar på köldmediet är:
• Förångare
• Kompressor
• Kondensor
• Expansionsventil (strypventil)
ϑ=max+60°C
p=15,5 bar
vätska
ϑ=max+100°C
p=15,5 bar
Tillståndsförändring
Uteffekt från kondenseringsvärme
gasform
i kondensorn
i expansionsventilen
i kompressorn
I förångaren
vätska
gasform
tillståndsförändring
– tar upp förångningsvärme
ϑ=+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.
102
B01HV_sv
februari 2011
Förångare
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Kompressor
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.
Kondensor
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.
Expansionsventil
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.
103
B01HV_sv
februari 2011
Användningsexempel i luftkonditioneringssystem.
Både direkt och indirekt kylning används i luftkonditioneringssystem.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 4-10 Användningsexempel för kylning av ventilationsluft
a)
1
3
5
7
Direktkylning (direktexpansion, DX-kyla)
Kompressor
Kondensor
Kylvattenpump
Fläkt
b)
2
4
6
Indirekt kylning (vätskeburen kylning)
Förångare
Expansionsventil
Luftkylare
Eftersom exakt samma funktioner och fysiska interaktioner gäller för
värmepumpkretsen, kombineras båda processerna i schemat nedan.
Avkylt returvatten
från värmesystemet
Uppvärmt
tilloppsvatten till
värmesystemet
Kondensor
15,5 bar
+ 60 °C
15,5 bar
max + 100 °C
Expansionsventil
3,3 bar
1
2
Kompressor
+ 2 °C
Verdampfer
Förångare
+ 2 °C
3,3 bar
Åter till värmedistributören,
t.ex. åter till sjön
ϑ = + 5 °C
ϑ = + 10 °C
Motordriven, t.ex.
• Elkraft
• Gas
• Olja
Från värmedistributören,
t.ex. sjövatten
Fig. 4-11 Exempel på funktionen hos ett vatten/vattenvärmepump
104
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
105
B01HV_sv
februari 2011
2
3
1
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
4
6
5
Fig. 50
Fig. 4-13 Absorptionsprocessen med lösningskretsen som värmekondensor
1
2
3
4
5
6
Termokemisk krets
Kondensor
Expansionsventil
Förångare
Värmepumpkrets
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 köldmedium 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 förångningstemperaturer 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 förångningstemperatur på cirka 3°C och trycket i kondensorn är 0,1, vilket motsvarar en
106
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
107
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Självstudiekurs
på CD
Om du är intresserad av självstudie-CD:n ” Hydraulics in building systems”, kontakta
ditt Siemenskontor.
108
B01HV_sv
februari 2011
5.2
Hydrauliska system
5.2.1
Huvudkomponenter i ett hydrauliskt system
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Regulator
(med givare)
Radiator
(värmeavgivning)
Ställdon
3-vägsventil
Cirkulationspump
Framledning
Injusteringsventil
Värmepanna
(värmeproduktion)
Returledning
Fig. 5-1 Huvudkomponenter i ett hydrauliskt system
Ventil stängd
Ventil öppen
Fig. 5-2 Cirkulation i systemet
109
B01HV_sv
februari 2011
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-, kyloch ventilationssystem. Förutom att de illustrerar systemet, underlättar de förståelsen
av tekniska processer och samband.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Injusteringsventil
Värmeförbrukare
Framledning
Cirkulationspump
Värmekälla
Illustrerad bild över ett system
Returledning
Flödeschema över systemet
Fig. 5-3 Från den illustrerade bilden till ett flödesschema
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
110
B01HV_sv
februari 2011
Översiktsschema
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
• Framledningen visas överst, returledningen längst ned.
• Värme-/kylkälla och förbrukare visas parallellt i flödesriktningen mellan framledning
och returledning.
Framledning
Flödesriktning
Förbrukare
Källa
Returledning
Flödesschema
Översiktsschema
Fig. 5-5 Flödesschema och översiktsschema för ett enkelt system
Standardsymboler
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
111
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Flödesscheman
Fig. 5-7
Översiktsscheman
Exempel på styrventiler ritade utan ställdon
112
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Typ 1 (Kap. 5.3.1.1)
Nej
Typ 2 (Kap 5.1.3.2)
Ja
Typ 3 (Kap. 5.3.1.3)
Typ 4 (Kap. 5.3.1.4)
Tryckförhållanden i
fördelaren
Flöde genom
källan
Temperaturdifferens i
källkretsen
Variabelt
Stort ΔT
Med tryck
Variabelt
Stort ΔT
Ja
Med tryck
Konstant
Litet ΔT
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.
113
B01HV_sv
februari 2011
5.3.1.1
Typ 1, utan huvudpump, förbrukare med blandningskretsar
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
114
B01HV_sv
februari 2011
5.3.1.2
variabelflödes- eller injektionskretsar
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Δp
Δp
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
115
B01HV_sv
februari 2011
5.3.1.3
Typ 3, med huvudpump, förbrukare med 3-vägsventiler i fördelningseller injektionskretsar
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
A
Fig. 5-12 Fördelartyp 3, fördelningskrets till vänster och injektionskrets till höger i båda exemplen
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
•
•
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
116
B01HV_sv
februari 2011
5.3.1.4
Typ 4, med huvudpump, trycklös huvudfördelning i
variabelflödes- och blandningskretsar
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 5-13 Fördelningsstyp 4 variableflödeskrets till vänster och blandningskrets till höger i båda exemplen
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
117
B01HV_sv
februari 2011
5.3.1.5
Flödesschemor över fördelare
Liksom hos förbrukarkretsarna, görs åtskillnad mellan två typer av schema,
översiktsschemat och det geografiska schemat.
Översiktsschema
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
• 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
118
B01HV_sv
februari 2011
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 ( ΔT ) i
värme-/kylkällan eller förbrukaren samt specifika värmekapaciteten ( c ), densiteten (ρ).
Q& = V& ⋅ ΔT ⋅ c ⋅ ρ
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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:
Q& ≈ V& ⋅ ΔT
Det innebär att följande funktioner kan användas för att justera uteffekten i hydrauliska
kretsar:
Volymflödet ändras
medan temperaturen ligger kvar på en
konstant nivå
⇒
Drift med variabelflöde
⇒
Styrning av flödet
Temperaturen ändras
medan volymflödet ligger kvar på en
konstant nivå
⇒
Drift med konstantflöde
⇒
Styrning av blandningsförhållandet
119
B01HV_sv
februari 2011
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.
Styrning av flöde
Vid styrning av flödet (varierande volymflöde) i förbrukaren används följande
hydrauliska kretsar:
• Variabelflödeskrets
• Fördelningskrets
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Variabelflödeskrets
Fördelningskrets
Fig. 5-16 Styrning av flöde i förbrukarkrets
I båda de hydrauliska kretsarna styrs uteffekten genom att flödet genom förbrukaren
varieras.
Styrning av temperatur
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.
120
B01HV_sv
februari 2011
5.4.3
Funktionsprincip
Variabelflödeskrets
När styrventilen ändrar läge förändras volymflödet både i källan och i förbrukaren. På
grund av detta varierar tryckförhållandena kraftigt inom systemet.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Ventil helt stängd
Ventil helt öppen
Fig. 5-18 Variabelflödeskrets
Egenskaper
Användningsområde
•
•
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
Flödesschema
Flödesschema
Översiktsschema
Fig. 5-19 Flödesschema över variabelflödeskrets
121
B01HV_sv
februari 2011
5.4.4
Funktionsprincip
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Ventil helt stängd
Ventil helt öppen)
Fig. 5-20 Fördelningskrets
Egenskaper
•
•
•
Användningsområde
Varierande volymflöde i förbrukarkretsen
Konstant volymflöde och tryckfall i källkretsen
(fördelaktigt i system med flera förbrukare)
•
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)
Flödesschema
Flödesschema
Översiktsschema
Fig. 5-21 Flödesschema över fördelningskrets
122
B01HV_sv
februari 2011
5.4.5
Funktionsprincip
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Ventil helt stängd
Ventil helt öppen
Fig. 5-22 Blandningskrets
Egenskaper
•
•
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.
Användningsområde
•
Radiatorsystem
•
Luftvärmare med frysrisk
•
System med lågtempererade värmekällor eller värmepumpar
Flödesschema
Flödesschema
Översiktsschema
Fig. 5-23 Flödesschema över blandningskrets
123
B01HV_sv
februari 2011
5.4.5.1
Blandningskrets med returinblandning
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Ventil helt öppen
Fig. 5-24 Blandningskrets med returinblandning
Egenskaper
• 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.
Användningsområde
•
•
•
•
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.
Flödesschema
Flödesschema
Översiktsschema
Fig. 5-25 Flödesschema över blandningskrets med returinblandning
124
B01HV_sv
februari 2011
Funktionsprincip
5.4.6
Injektionskrets
5.4.6.1
Injektionskrets med 3-vägsventil
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Ventil helt stängd
Ventil helt öppen
Fig. 5-26 Injektionskrets med 3-vägsventil
Egenskaper
Användningsområde
•
Konstant flöde i både källkrets och förbrukarkrets
•
•
Jämn temperaturfördelning över förbrukaren
•
•
Radiator- och golvvärmesystem
•
•
Luftkylare utan reglerad avfuktning
•
Olämpligt för fjärrvärmeanslutna system (höga returtemperaturer)
Flödesschema
Flödesschema
Översiktsschema
Fig. 5-27 Flödesschema över injektionskrets med 3-vägsventil
125
B01HV_sv
februari 2011
5.4.6.2
Funktionsprincip
Injektionskrets med 2-vägsventil
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Ventil helt stängd
Ventil helt öppen
Fig. 5-28 Injektionskrets med 2-vägsventil
Egenskaper
Användningsområde
•
•
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
Flödesschema
Flödesschema
Översiktsschema
Fig. 5-29 Flödesschema över injektionskrets med 2-vägsventil
126
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
127
B01HV_sv
februari 2011
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)
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
• 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
Linjär karakteristik
Samma lyfthöjdsändring producerar samma förändring av kv-värdet (Fig. 5-31 vänster).
Logaritmisk karakteristik
Samma förändring av lyfthöjd ger samma procentuella förändring av det relevanta kvvärdet, 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).
Linjär/logaritmisk
karakteristik
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
128
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Värmeväxlarens karakteristik
Styrventil med linjär
grundkarakteristik
Fig. 5-32 Systemets karakteristik som resultatet av värmeväxlarens karakteristik och en ventil med linjär
grundkarakteristik
129
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Värmeväxlarens karakteristik
Styrventil med logaritmisk
grundkarakteristik
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”
130
B01HV_sv
februari 2011
6
Luftkonditioneringssystem
6.1
Termdefinitioner (enligt DIN 1946)
System utan termodynamiska funktioner eller med endast en sådan funktion (t.ex.
uppvärmning).
Partiellt luftkonditioneringssystem
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Ventilationssystem
Fullständigt luftkonditioneringssystem
System som används för att hålla både rummets lufttemperatur och rummets
luftfuktighet på önskad nivå (genom uppvärmning/kylning och fuktning/avfuktning),
oavsett belastning.
Lågtryckssystem
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.
Högtryckssystem
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.
Uteluft
Luft som tillförs från atmosfären.
Tilluft
Luft som strömmar från systemet till rummet.
Rumsluft
Luft i ett ventilerat eller luftkonditionerat rum.
Frånluft
Luft som avlägsnas från rummet.
Återluft
Frånluft som återförs till systemet.
Avluft
Frånluft som transporteras bort och släpps ut utomhus.
131
B01HV_sv
februari 2011
6.2
Omfattning
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?
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Specifika funktioner för styrning och reglering av luftkonditioneringssystem beskrivs i
kompendiet
”Styr & reglerfunktioner i luftkonditioneringssystem”
utgivet av Siemens AB BT, Utbildning.
2
1
1
3
5
7
3
4
Ytterväggsgaller
Luftfilter
Luftkylare
Tilluftsfläkt
5
2
4
6
4
6
7
Blandningsspjäll
Luftvärmare
Luftfuktare
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
Funktion
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.
132
B01HV_sv
februari 2011
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.
Spjälltyper
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Funktion
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
133
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
HEPA- och ULPA-filter
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
Kvarhållningsförmåga %
Genomtränglighet
%
Tidigare
klassificering
G1
< 65
EU 1/A
G2
65 … 80
EU 2/B1
G3
80 … 90
EU 3/B2
G4
> 90
EU 4/B2
F5
–
EU 5
F6
–
EU 6
F7
–
EU 7
F8
–
EU 8
F9
–
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
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
Beskrivning
Grovfilter
Finfilter
Aerosolfilter
Fig. 6-6 Klassificering av luftfilter
134
B01HV_sv
februari 2011
6.2.3.2
Ursprungligt tryckfall
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)
Sluttryckfall
De rekommenderade sluttryckfallen är följande:
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Stigande tryckfall under
drift
–
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 driftsoch underhållskostnader.
Normal livslängd
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)
135
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Styva filterceller
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
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.
136
B01HV_sv
februari 2011
Aerosolfilter
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 2050 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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
På grund av det höga volymflödet och den kontinuerliga driften i rena rum måste tryckfallet 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. 5590 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. Adsorptionsmekanismen 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.
137
B01HV_sv
februari 2011
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 9001 200 m2.
Impregnering beroende
på föroreningstyp
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.
Konstruktionstyper
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Liten extern ytarea och
stor adsorptionsyta i
mediets porer
Fig. 6-12 Aktiva kolfilter (olika exempel)
Livslängd
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.).
Elektriska filter med
joniseringszon
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.
138
B01HV_sv
februari 2011
Elektrostatiska filter
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:
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
–
–
Automatiska rullfilter
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
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.
139
B01HV_sv
februari 2011
6.2.4
Funktion
Fläktar
Fläktar genererar det erfordrade flödet genom att skapa en tryckökning som motsvarar
tryckfallet i systemet.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 6-14 Radialfläkt med separat motor och fläktrem (för installation i ett ventilationsaggregat)
Konstruktion och funktion
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).
Radialfläktar
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
4
2
1
3
Fig. 6-15 Radialfläkt med fläkthjul (1), spiralkåpa (2), luftintag (3) och luftutlopp (4) (källa: LTG)
Axialfläktar
Axialfläkten får luften att strömma parallellt med drivaxeln. Hos de bättre, högpresterande 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
140
B01HV_sv
februari 2011
2
3
1
4
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 6-16 Axialfläkt med fläkthjul (1), fast skovelkrans (2), luftintag (3) och luftutlopp (4) (källa: LTG)
6.2.4.1
Fläkt- och systemkarakteristik
Affinitetslagar
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.
Affinitetslag 1
Volymflödet varierar i direkt förhållande till varvtalet.
V& 1
n
= 1
&
V2 n2
Affinitetslag 2
Fläkttrycket stiger som en kvadrat av varvtalet eller volymflödet.
p1
p2
Affinitetslag 3
(Ekvation 1)
2
⎛ V& 1 ⎞ ⎛ n1 ⎞
⎟ = ⎜⎜ ⎟⎟
& ⎟
⎝ V2 ⎠ ⎝ n2 ⎠
2
= ⎜⎜
(Ekvation 2)
Motorns uteffekt varierar i förhållande till kubiken av varvtalet eller volymflödet (under
förutsättning att fläktens verkningsgrad är konstant).
P1
P2
⎛ V& ⎞
= ⎜⎜ 1 ⎟⎟
⎝ V& 2 ⎠
3
⎛n ⎞
= ⎜⎜ 1 ⎟⎟
⎝ n2 ⎠
3
(Ekvation 3)
V& = Luftflöde (m3/s)
n = Varvtal (varv/min)
p = Tryck (Pa)
P = Fläkteffekt (W)
Vad visar ekvationerna?
• 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:
V&
1 = n1 ⇒ V& = V& ⋅ n2 = 4'000 m3 /h ⋅ 2000 varv/min = 8'000 m3 /h
2
1
&
n2
n1
1000 varv/min
V
2
141
B01HV_sv
februari 2011
• 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:
p1
p2
⎛ V& ⎞
= ⎜⎜ 1 ⎟⎟
⎝ V& 2 ⎠
2
⎛n ⎞
= ⎜⎜ 1 ⎟⎟
⎝ n2 ⎠
2
⇒ p
2
⎛ V& ⎞
= p1 ⋅ ⎜⎜ 2 ⎟⎟
⎝ V&1 ⎠
2
⎛ 8'000 m3 /h ⎞
3 ⎟
⎝ 4'000 m /h ⎠
= 350 Pa ⋅ ⎜
2
=1'400 Pa
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
• 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:
3
3
3
3
⎛ V& 2 ⎞
⎛ 4'000 m3 /h ⎞
⎛ n1 ⎞
p1 ⎛ V& 1 ⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
=
= ⎜ ⎟ ⇒ p2 = p1 ⋅ ⎜ ⎟ = 3.0 kW ⋅ ⎜
3
⎟ = 0.375 kW
&
p2 ⎜⎝ V& 2 ⎟⎠
⎝ n2 ⎠
⎝ 8'000 m /h ⎠
⎝ V1 ⎠
II
I
Δp3
3
Δp2
4
2
n4
n3
Δp1
1
n1
V& 1
V& 4
Fig. 6-17
n 1 … n4
I, II
1-4
Fläkt- och systemkarakteristik (inte log-log)
Fläktkarakteristik vid olika varvtal
Systemkarakteristik 1 och 2
Arbetspunkter
1
1→2
3
1→ 4
Normal arbetspunkt
Växling av arbetspunkt, t.ex. på grund av ett smutsigt filter
Som 2, men med önskat luftvolymflöde
Växling av arbetspunkt på grund av varvtalshöjning
142
B01HV_sv
februari 2011
6.2.5
Luftvärmare
Funktion
Används för att värma tilluften till erforderlig temperatur.
Värmemedium
–
–
Luftvärmare med lamellväxlare, drivs med lågtempererat varmvatten,
högtempererat varmvatten eller ånga (Fig. 6-19)
Elektriska luftvärmare (Fig. 6-21)
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Luftvärmare används som förvärmare eller återvinningsvärmare i system för
luftuppvärmning och luftkonditionering.
Fig. 6-19 Luftvärmare med lamellväxlare
Vattenburna luftvärmare
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
& 100
volymflödet V& 100 och den maximala uteffekten Q
.
Fig. 6-20 Karakteristikkurvor för luftväxlare och de associerade a-värdena
143
B01HV_sv
februari 2011
Frysvakt
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. 3
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fryssäker luftvärmare
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
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
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)
144
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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)
145
B01HV_sv
februari 2011
6.2.8
Metoder
–
–
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Dysfuktare
2
1
2
3
4
Fig. 6-24
1
2
3
4
Aerosolfuktare
3
Dysfuktarens funktionsprincip och exempel (källa: Baehr)
Dysor (flera rader bredvid varandra, ofta riktade mot luftflödet)
Droppavskiljare
Uppsamlingstråg
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)
146
B01HV_sv
februari 2011
Våt yta
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).
Ultraljudfuktare
I system med stränga hygienkrav, kan ultraljudfuktare användas. Jämfört med de
fuktningsmetoder som beskrivs ovan använder ultraljudfuktare mindre vatten och
energi.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
1 2
Fig. 6-26
1
2
3
4
3
4
Konstruktionsprincipen hos ultraljudfuktare och exempel (källa: Klingenburg)
Luftturbulens
Spridarmunstycke(n)
Blandningszon
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
Princip
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.
Ångfuktare med
inbyggd ångförsörjning
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.
147
B01HV_sv
februari 2011
3
4
1
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
2
5
B17-15
Fig. 6-27
1
2
3
4
5
Ångfuktare med extern
ångförsörjning
Ångfuktare med självgenererad ånga
Förångningskärl
Elektroder
Ångejektor
Kondensatledning
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
2
2
2
1
1
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
Kylning med
kondensation
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.
148
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Absorption
De vanligaste hygroskopiska vätskorna är saltlösningar med litiumklorid, litiumbromid
eller kalciumklorid i vatten.
Adsorption
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)
149
B01HV_sv
februari 2011
6.2.10 Återvinning
Funktion
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
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Blandning av
åter-/uteluft
Typer av återvinning
2
3
1
B73-9
Fig. 6-30
1
2
3
Rekuperativ återvinning
Blandning av åter-/uteluft
Spjäll för uteluft
Spjäll för avluft
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).
1
3
4
2
Fig. 6-31
Rekuperativ återvinning: Plattväxlare (källa: Klingenburg)
1 Uteluft
3 Frånluft
2 Tilluft
4 Avluft
(Temperaturerna i exemplet vid 100 % temperaturverkningsgrad)
150
B01HV_sv
februari 2011
Regenerativ återvinning
Roterande värmeväxlare
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).
1
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
4
2
3
B17-9
Fig. 6-32 Regenerativ återvinning: Roterande växlare
Genomskärning och funktionsprincip
1
Uteluft
2
Tilluft
3
Frånluft
4
Avluft
(Temperaturerna i exemplet vid 100 % temperaturverkningsgrad)
Vätskeburen återvinning
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
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.
2
5
3
4
1
B17-10
Fig. 6-33
1
2
3
4
5
Uteluft
Avluft
Cirkulationspump
3-vägsventil (bör placeras som blandningsventil mot frånluftsväxlaren)
Påfrostningsgivare
151
B01HV_sv
februari 2011
Återvinningens
”verkningsgrad”
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.
Avluft
Frånluft
12
11
21
22
1
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
2
Uteluft
Tilluft
Temperaturverkningsgrad
Tilluft
Fuktverkningsgrad
Φ2 =
Ψ2 =
t 22 − t 21
t11 − t 21
x 22 − x 21
x 11 − x 21
Frånluft
Φ2 =
t11 − t12
t11 − t 21
t11
t12
t12
t22
Frånluftstemperatur
Avluftstemperatur
Uteluftstemperatur
Tilluftstemperatur
x11
x12
x21
x22
Luftfuktighet hos frånluften
Luftfuktighet hos avluften
Luftfuktighet hos uteluften
Luftfuktighet hos tilluften
För luftkonditionering av, exempelvis, badhus kan återvinningens effekt beskrivas i form
entalpiverkningsgrad
Φh2 =
Egenskaper hos olika
system för återvinning
h 22 − h 21
h11 − h 21
System för
värmeåtervinning
Krav på tilluft
och frånluft
tillsammans
Ofrivilligt läckage
mellan frånluft/tilluft
Temperaturverkningsgrad 1)
Tryckförlust på
luftsidan 1)
Rekuperatorer
Korsströmsväxlare
50 … 60 %
Ja
Nej
Regeneratorer
utan hygroskopisk yta
Ja
Ja (endast lite)
75 … 85 %
50-100 Pa
med hygroskopisk yta
Ja
Ja (troligen)
75 … 85 %
50-100 Pa
Nej
Nej
50 … 60 %
100-200 Pa
Motströmsväxlare
70 … 90 %
150-300 Pa
Fig. 6-34 Egenskaper hos olika återvinningssystem
1)
Endast riktvärden. Kontrollera hos tillverkaren.
152
B01HV_sv
februari 2011
6.2.11 Sorptiv kylning
Den smarta
kombinationen av
adiabatisk kylning och
adsorptiv avfuktning
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
Funktionsprincip
(på sommaren)
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.
II
1
5
AVL
4
1
FRL
5
I
1
2
2
2
3
3
UL
4
TL
Fig. 6-35
1
2
3
4
5
Funktionsprincip hos ett sorptivt kylsystem – användning under sommaren (källa: Klingenburg)
Sorptionsväxlare (torkning av uteluft)
Roterande växlare
Luftfuktare för tilluft
Luftfuktare för frånluft (evaporativ kylning)
Regenerativ luftvärmare (värmer luften till exempelvis 70°C)
I
II
Tillståndsförändring, uteluft – tilluft
Tillståndsförändring, frånluft – avluft
153
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
154
B01HV_sv
februari 2011
Luftburna system
Uppvärmning och kylning av rum med luft
i låghastighets- eller höghastighetssystem
Enkanalssystem
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Tvåkanalssystem
Luftkanal för varm och kall luft
med varierande
flöde
med konstant
flöde
Utan
efterbehandling
med varierande
flöde
med konstant
flöde
Med
efterbehandling *
* med lokala eftervärmare/efterkylare
Luft-/vattenburna system
Energiöverföring via luft och vatten· med lokala växlare i rummet
Lokala
vattenburna
värmare/
luftkylare
Induktionsapparater
2-rörssystem
Framledning
och returledning
Fläktkonvektorer
3-rörssystem
Värmevatten- och
kylvattenframledning
Gemensam retur
– Med omkoppling
Sommar: kylvatten
Vinter: värmevatten
- Utan omkoppling
Kyltak/
deplacerande
luftföringssystem
4-rörssystem
Framledning och retur
värmevatten och kylvatten
- Med fläktstyrning
- Med spjällstyrning
Fig. 6-37 Olika strategier för uppvärmning/kylning av lokaler
155
B01HV_sv
februari 2011
6.3.1
Luftburna system
Den energi som krävs för uppvärmning och kylning av rummen försörjs uteslutande via
tilluften.
7
1
8
3
6
2
5
4
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
8
B17-21
9
Fig. 6-38
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
Luftburet system
Uteluft
Avluft
Tilluft
Frånluft
Rum
Värmeåtervinning och, eventuellt, återluft
Luftkonditioneringsaggregat
Luftkanaler (tilluft och frånluft)
Värmekälla
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.
7
1
6
2
4
3
5
B17-22
Fig. 6-39
1
2
3
4
5
6
7
Enkanalssystem utan efterbehandling
Uteluft
Avluft
Tilluft
Frånluft
Rum eller zon
156
B01HV_sv
februari 2011
6.3.1.2
Enkanalssystem med efterbehandling
I denna typ av system, (Fig. 6-40 och Fig. 6-41), förbehandlas tilluften i luftkonditioneringsaggregatet 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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
7
1
8
6
10
10
9
9
2
4
9
3
5
5
11
B17-23
Fig. 6-40
1
2
3
4
5
6
Enkanalssystem med lokal efterbehandling
Uteluft
7
Förbehandlingsaggregat
Avluft
8
Luftkanaler
Tilluft
9
Eftervärmare
Frånluft
10
Efterkylare
Rum
11
Rum med mycket sekundärvärme
I enkanalssystem med central zonefterbehandling (Fig. 6-41) sker efterbehandlingen
direkt efter luftkonditioneringsaggregatet. I det här fallet behövs ledningar för energiförsörjning 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.
11
2
5
6
7
8
1
9
10
11
4
12
I
3
13
II
III
B17-24
Fig. 6-41
1
2
3
4
5
6
7
Enkanalssystem med central zonefterbehandling
Uteluft
8
Luftkylare
Avluft
9
Luftfuktare
Tilluft
10
Eftervärmare
Frånluft
11
Fläktar
Värmeåtervinning, och,
12
Zoneftervärmare· och, eventuellt, återluft
eventuellt, återluft
13
Zonventiler
Filter
Förvärmare
157
B01HV_sv
februari 2011
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
8
9
10
7
1
11
6
2
12
4
3
5
B17-27
Fig. 6-44
1
2
3
4
5
6
Tvåkanalssystem med avfuktning av tilluften
Uteluft
7
Förbehandlingsaggregat
Avluft
8
Eftervärmare
Tilluft
9
Ångfuktare
Frånluft
10
Varm kanal
Rum
11
Kall kanal
Värmeåtervinning och,
12
Blandningsbox
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.
158
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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).
6
5
4
5
T
4
T
3
1
2
3 M
2
B17-29
Fig. 6-46
1
2
3
4
5
T
6.3.1.4
Blandningsbox
Kalluft
Varmluft
Blandningsspjäll
Konstantflödesreglering
Tilluft
Temperaturgivare
1
B17-30
Fig. 6-47
1
2
3
4
5
6
T
Blandningsbox med variabelt kalluftsflöde
Kalluft
Varmluft
Blandningsspjäll
Konstantflödesreglering (50 %)
Flödesreglering av kalluft (upp till 100 %)
Tilluft
Temperaturgivare
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 luftkonditioneringsaggregatet via ett enkanalssystem till rummen som ska luftkonditioneras. Kanalsystemet är oftast konstruerat som ett högtryckssystem. Mindre installationer kan dock
även vara konstruerade som lågtryckssystem.
159
B01HV_sv
februari 2011
6
1
5
2
7
7
4
3
9
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
8
B17-31
Fig. 6-48
1
2
3
4
5
Variabelflödessystem (VAV)
Uteluft
Avluft
Tilluft
Värmeåtervinning och,
Spjäll
6
7
8
9
VAV-boxar (tilluft och frånluft)
Grundlastvärme via värmesystemet
Rum
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
6.3.2.1
Luft-/vattenburna system
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.
Tilluftstemperaturen lägre
än rumstemperaturen
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.
160
B01HV_sv
februari 2011
Uppvärmningsbehovet
täcks av andra system
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
2
23 ... 24 °C
0,1 m/s
21 − 23 °C
3
ca. 2 m
0,2 m/s
19 °C
1
Fig. 6-50
1
2
3
20 °C
Exempel på undanträngande luftföring
Undanträngande tilluftsdon
Frånluftskanal
Fri zon
Enbart små kyllaster
kan avlägsnas
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.
Användningsområden
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).
Kyltak, kylpanel,
kylbaffel
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.
Kondensering vid
temperaturer under
daggpunkten
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.
161
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 6-51
6.3.2.3
Kylpaneler
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.
5
7
6
B17-33
Fig. 6-52
1
2
3
4
a) Fan coil-apparat och komponenter
Börvärdesinställning
Lamellväxlare
Fläkt
Justerbart tilluftsgaller
b) Fan coil-apparat med uteluftsinblandning
5
Fan coil-apparat
6
Uteluftenhet med spjäll
7
Varmvatten- eller kallvattenkrets
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.
162
B01HV_sv
februari 2011
Fan coil-apparater med en direktverkande luftkylare utgör ventilationsdelen av ett ”Splitaggregat” (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 coilapparaterna i tomma rum förblir avstängda.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
6.3.2.4
Fan coil-apparater
med primärluft
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).
2
1
3
4
8
9
6
5
7
1
10
B17-34
Fig. 6-53
1
2
3
4
5
Fan coil-apparat med primärluft som tillförs via fan coil-apparaten
Uteluft
6
Rum
Avluft
7
Luftkonditioneringsaggregat för primär luftbehandling
Tilluft
8
Värmare
Sekundärluft (rumsluft)
9
Kylare
Fan coil-apparat
10
Alternativ distribution av primärluft
7
6
1
3
5
2
4
B17-35
Fig. 6-54
1
2
3
4
Fan coil-apparat med primärluft som tillförs direkt till rummet
Primärluft
5
Fan coil-apparat
Frånluft
6
Yttervägg
Tilluft
7
Innervägg
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.
Induktionssystem
Induktionssystemet är det vanligaste och mest använda luft/vattensystemet för
efterbehandlingar. Det lämpar sig för samma användningsområden som ett fan coilsystem 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).
163
B01HV_sv
februari 2011
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.
2
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
7
1
8
3
5
6
9
4
B17-36
10
Fig. 6-55
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Induktionssystem
Uteluft
Frånluft
Tilluft
Rum
Induktionsapparat
Luftkonditioneringsaggregat för primär luftbehandling
Primärluftkanal
Värmare
Kylare
3
6
1
2
5
4
B17-37
Fig. 6-56
1
2
3
4
5
6
Induktionsapparat
Primärluft
Tilluft
Primärluftsanslutning
Induktionsmunstycken
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.
164
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
Induktionssystem för kyltak kan betraktas som en särskild typ av induktionsenhet.
3
3
4
4
1
5
2
2
5
B17-38
Fig. 6-57
1
2
3
4
5
Induktionsenhet för kylbafflar (FAREX-system)
Primärluftskanal
Munstycken för primärluft
Sekundärluft
Luftkylare
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.
2-rörssystem
När det gäller hydrauliska kretsar görs åtskillnad mellan 2-rörs-, 3-rörs- och 4-rörssystem. 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.
165
B01HV_sv
februari 2011
4
2
3
1
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
7
7
5
6
B17-32
Fig. 6-58
1
2
3
4
5
6
7
Hydraulisk anslutning av ett 2-rörs fan coil-system
Tilluft
Enhet för värmning och kylning av rumsluft
Rum
Värmare
Kylare
Omkopplingsventiler
3-rörssystem
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.
4-rörssystem
En smidig lösning på de problem som beskrivs ovan är 4-rörssystemet med två
separata hydrauliska kretsar, en för uppvärmning och en för kylning.
166
B01HV_sv
februari 2011
6.4
Enhetsaggregat
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
44 °C
14
2
12
7
5
32 °C
12
10
15 °C
3
5
1
9
8
15
4
6
11
25 °C
13
B17-17
Fig. 6-59
1
2
3
4
5
6
7
8
Funktionsprincip
Fönsteraggregat
Uteluft
Avluft
Tilluft
Återluft
Fläktar
Förångare
Kompressor
Kondensor
9
10
11
12
13
14
15
16
Expansionsventil
Köldmediekrets
Luftfilter
Ventilationsgaller
Kondensvattenuppsamling
Kåpa
Fönster
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”.
167
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
1
Fig. 6-60
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
2
10
3 4
Konsolaggregat
Kompressor
Startkondensator
Kondensor
Hög-/lågtryckspressostat
Luftfilter
Förångare
Rumstermostat
Regulator
Fläkt
Justerbart utloppsgaller
168
B01HV_sv
februari 2011
6.4.3
Skåpaggregat (rumsaggregat)
Som namnet anger är alla komponenter hos dessa enheter placerade i en skåpsliknande 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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
17
5
3
12
15
6
14
9
13
1
4
8
5
2
2
7
10
11
16
B17-19
Fig. 6-61
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Funktionsprincip hos ett skåpaggregat
Uteluft
10
Avluft
11
Tilluft
12
Sekundärluft
13
Fläktar
14
Förångare
15
Kompressor
16
Kondensor
17
Expansionsventil
Köldmedieledning
Kåpa
Ventilationsgaller
Spjäll
Luftfilter
Elektrisk luftvärmare
Yttervägg
Rum
169
B01HV_sv
februari 2011
Användning
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
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
9
6
12
14
3
13
4
5
11
10 7
2
1
8
B17-20
Fig. 6-62
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Uppbyggnaden av ett splitaggregat
Uteluftintag
Luftutlopp
Tilluft
Återluft
Rum
Förångare
Kompressor
Kondensor
Expansionsventil
Köldmedieledning
Kylenhet
Återluftsenhet
Ventilationsgaller
Filter
170
B01HV_sv
februari 2011
6.5
Ventilationsförluster stor
del av värmebehovet
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Styrd mekanisk
ventilation minskar
värmebehovet
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)
Begränsa
elanvändningen
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 för
enskilda rum
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
Enskilt ventilationsaggregat (för en
lägenhet)
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
171
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 6-64 Enskilt ventilationsaggregat
Centralt ventilationssystem för flerfamiljsbostäder
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.
Underhåll av
ventilationssystem i
bostäder
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.
172
B01HV_sv
februari 2011
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Självstudiekurs
på CD
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”
173
B01HV_sv
februari 2011
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 vetenskapen 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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Grundenheter
Det internationella enhetssystemet (SI-enheter) som vi använder idag (från franskans
Système International d'Unité) utgör en tydlig struktur för de olika mätenheterna:
Temperatur
Enhet
Definition
[Förkortning]
-1
273,16 av temperaturen vid vattnets trippelpunkt
Kelvin [K]
Längd
Meter [m]
Den sträcka som ljuset tillryggalägger i absolut vakuum över
-1
299 792 458 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
-7
om 2·10 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 1000cm vattens
massa, vid 273,16K
Ljusstyrka
Candela [cd]
Ljusstyrkan i en given riktning från en källa som utsänder
14
monokromatisk strålning med frekvensen 5,40·10 hertz och
-1
vars strålningsstyrka i denna riktning är 683 watt per
steradian
Storhet
Substansmängd Mol [mol]
3
Antal systemelement motsvarande antalet atomer hos
12
isotopen C som ger massan 12g som medelvärde för
antalet nukleoner som ger 1g.
De sju grundenheterna i SI-systemet
Härledda enheter
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
174
B01HV_sv
februari 2011
Multipelenheter
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
10
21
10
18
10
15
10
12
10
9
10
6
10
3
10
2
10
1
10
-1
10
-2
10
-3
10
-6
10
-9
10
-12
10
-15
10
-18
10
-21
10
-24
10
yotta
zetta
exa
peta
tera
giga
mega
kilo
hekto
deka
deci
centi
milli
mikro
nano
piko
femto
atto
zepto
yokto
Y
Z
E
P
T
G
M
k
h
da
d
c
m
µ
n
p
f
a
z
y
24
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Mätning
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
Temperaturmätning
De tre vanligaste mätelementen för temperaturmätning i byggnadsautomationssystem
är:
Resistansgivare
Termistorgivare
Termoelementgivare
Resistansgivare
Resistansgivarna bygger på principen att elektriska ledares resistans ändras med
temperaturen. De vanligaste grundmetallerna är Nickel [Ni] och Platina [Pt].
Termistorgivare
Termistorgivarna bygger på samma princip, men istället för att använda en elektrisk
ledare används en halvledare eller blandningar av metalloxider.
Termoelementgivare
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
175
B01HV_sv
februari 2011
7.2.1
Mätelement
Resistansgivare nickel
LG-NI 1000
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Resistansgivare Platina
Pt 100
Resistansgivare Platina
Pt 1000
Termistorgivare NTC
Negative Temperature
Coefficient
LG-NTC 575
Termistorgivare PTC
Positive Temperature
Coefficient
LG-T1
R
ϑ
Δϑ
Motståndsvärde i Ohm
Temperatur i grader Celsius, betecknas enligt standard med t
Temperaturdifferens i Kelvin, betecknas enligt standard med ΔT
176
B01HV_sv
februari 2011
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
3
4
2
5
1
Fig. 7-1
Exempel på automatisk styrning
1
2
3
4
5
z
Utetemperaturgivare
Styrutrustning
Spjäll för uteluft/återluft
Fläkt
Rumstemperatur
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
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.
Styrutrustning
Utrustning som påverkar den styrda processen i enlighet med styrområdet.
Styrd storhet
Fysisk storhet (temperatur, luftfuktighet etc.) som påverkas av styrsystemet.
177
B01HV_sv
februari 2011
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.
Exempel manuell styrning
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Minimera avvikelser
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
x
y
z
Börvärde, önskad temperatur (t.ex. 20°C)
Visning av ärvärde, rumstemperatur (t.ex. termometer 24°C)
Manuell ventil för styrning av värmeuteffekten
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”.
178
B01HV_sv
februari 2011
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Fig. 7-3 Manuell styrning (jämförelse mellan faktiska och önskade värden)
Reglersystem
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
Inre störningar
utetemperaturförändring
solstrålning
vind
tillskottsvärme i rummet
elektrisk utrustning
antal människor
ändras värmeventilens läge tills den önskade temperaturen har nåtts igen.
2
1
3
Fig. 7-4
1
2
3
z
Exempel på reglering
Rumstemperaturgivare
Regulator
Radiatorventil
Störstorheter (t.ex. utetemperatur, sol, vind, personer, elektrisk utrustning etc.)
179
B01HV_sv
februari 2011
Jämförelse mellan
styrning och reglering
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
2
4
1
x
3
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
Kombination av styrning
och reglering av ett
värmesystem
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.
1
t
tR
3
w
U
2
y
4
x
z
Fig. 7-6
1
2
3
4
x
z
Utetemperaturkompenserad reglering av framledningstemperaturen
Utetemperaturgivare
Styrning med värmekurva (sänder börvärdet w till regulatorn (3))
Regulator
Styrventil
Framledningstemperatur
Störstorheter (t.ex. panntemperatur, vattnets flödeshastighet, temperatur returledning radiatorer )
180
B01HV_sv
februari 2011
Styrsystemet i
värmesystemet
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Reglersystemet i
värmesystemet
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)
Mätpunkt
Givarens placering, dvs. där reglerstorheten (ärvärdet) mäts.
Givare
Enhet som registrerar värdet för den avlästa storheten (ärvärde).
Ärvärde x
Det nuvarande värdet hos den reglerade storheten x som mäts av givaren.
Reglerstorhet x
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.
Referensstorhet w
Instorheten till reglersystemet. Referensstorheten fastställer det aktuella börvärdet.
Störstorhet z
Extern storhet som påverkar regleringen och har en oönskad inverkan på den
reglerade storheten, t.ex. extern tillskottsvärme, solstrålning etc.
Felstorhet e
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
Reglering
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.
181
B01HV_sv
februari 2011
Reglerutrustning
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
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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
Ställdon
Justerar styrutrustningen i den angivna riktningen i enlighet med utgångssignalen från
regulatorn (t.ex. elmotor, elektromagnetiskt ställdon).
Styrelement
Enhet (exempelvis en ventil) som installeras i styrningen för att styra flödet av energi
eller annan mängd.
Styrpunkt
Punkten i reglersystemet där energiflödet påverkas (ställdon och styrelement)
Objekt
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
182
B01HV_sv
februari 2011
7.5
Byggnadsautomationssystem
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
1
2
3
Hierarki i ett byggnadsautomationssystem
Informationsnivå
Automationsnivå
Fältnivå
183
B01HV_sv
februari 2011
Informationsnivå
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).
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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.
Automationsnivå
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 optimeringsfunktioner.
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
Fältnivå
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
184
B01HV_sv
februari 2011
Byggnadsautomationssystemet kan justera börvärden eller läsa ändrade storheter i en
mängd processer och använda denna information för att fastställa den totala
laststatusen i värme-, kyloch 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.
g
rin
de
är t
tv u
a
r u iv
fö kr
st tt s
da j a
En r e
gå
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
185
B01HV_sv
februari 2011

Byggnads- automationens grunder System för värme

Transcription

Similar documents

S7-1200 paketet

Kv. Vitsippan, Borås Bullerskydd för bostäder

Sintony 60

Beskrivning - Teknik & Natur

9. RELÄSKYDD, SELEKTIVITET, FASNINGSUTRUSTNING. 9.1