SE529210C2 - Sätt att reglera uppvärmningen av en byggnad på avsedd nivå - Google Patents

Description

20 25 30 35 529 210 2 ”Gratisvärmen”, dvs. summan av solvärmetillskott och intemvärme, ger ofta tempo- rära överskott i värmebalansen även under eldningssäsongen, i synnerhet i nyare, välisolerade byggnader med stora glasytor. Detta leder vid traditionell reglering till övertemperaturer eller behov av ökad ventilation eller t.o.m. kylning. Om man i stället kan dra nytta av dessa gratistillskott för uppvärmning, skulle en betydande andel av byggnadens totala värmebehov under eldningssäsongen kunna täckas. Vid regleringen av värrnetillförseln tar man med fördel även hänsyn till byggnadens ”tröghet” (dvs. dess massa och energitekniska egenskaper såsom värmeisolering, täthet m.m.), som gör att en ändring ivärrnebalansen slår igenom pä innetempera- turen med viss fördröjning och dämpning. Ett sätt att göra detta är att reducera vännetillförseln i förväg inför ett kommande värrneöverskott och omvänt vid värmeunderskott.

Käman iföreliggande uppfinning är att nyttiggöra 'gratisenergiema' vid regleringen av byggnadsuppvärrnningen. För detta fordras en prognosbaserad reglermetod som är baserad på beräkning av byggnadens värmebalans. I en mer utvecklad variant av uppfinningen tar man även hänsyn till byggnadens värmetröghet.

Föreliggande uppfinning ger en ny lösning pä problemet att upprätthålla innetempe- raturen i en byggnad genom att reglera värmetillförseln efter en s.k. ”ekvivalent temperatur' (ET), som bestämts med utgångspunkt från det beräknade netto- behovet av externt tillförd värme. Wd beräkning av ET tar man hand om Vädrets påverkan på ett sådant sätt, att vännebehovet blir en linjär funktion av ET.

Uppfinningen löser det uppställda problemet genom att den utformas på det sätt som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet. Övriga patentkrav avser fördelaktiga utföringsforrner av uppfinningen. l det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade ritningar, där figur 1 är baserad på driftsdata från ett större kommunalt ljärrvärmenät och visar dygnssumma uppvärmningsenergi som funktion av dygnsmedeltemperatur, 10 15 20 25 30 35 529 210 3 figur 2 visar exempel på reglerkurvor för framledningstemperatur vid styming efter en kontrolltemperatur i form av utelufttemperatur resp. uppfin- ningsenlig ekvivalent temperatur och figur 3 visar en byggnads värmebudget.

I figur 3 visas hur nettobehovet N av tillförd energi för uppvärmning beror av flera olika poster. N > 0 innebär värmeunderskott (uppvärmningsbehov) och N < 0 inne- bär värrneöverskott. N kan uttryckas som N=c+/+/=+G-EP-s (1) där C är vänneförlust pga. transmission genom ytterhöljet (tak, väggar och fönster), I är värmeförlust pga. självdrag (infiltration och exfiltration), F är värrneförlust pga. fläktventilation, G är värmeförlust mot mark, EP är värmetillskott från elanvändning och personer och S år värmetillskott från solinstrålning genom fönster. l en konkret beräkning kan naturligtvis en eller flera av termema sättas till noll, om termen är försumbar i förhållande till övriga tenner.

Uppfinningen bygger på att man beräknar de enskilda postema i ekv. (1) och summerar dem till ett nettobehov av tillförd eller bortförd värme för upprätthållande av önskad innetemperatur. Detta nettobehov uttrycks sedan i termer av en ekvi- valent temperatur, ET, som direkt kan ersätta rådande utelufttemperatur som styrande parameter för byggnadens reglerautomatik, även i en befintlig regler- utrustning. ET definieras så att framledningstemperaturen är en linjär funktion av skillnaden mellan ET och önskad innetemperatur, jfr figur 2, vilket innebär en stor fördel vid regleringen.

ET beräknas med utgångspunkt från meteoroiogiska prognoser på temperatur, vind och solstràlning. Den senare parametem beräknas som funktion av molnighet, sikt, luftfuktighet och nederbörd. För den som, till skillnad från en fackman på området, inte är förtrogen med denna beräkning hänvisas till Taesler, R. och Andersson, C., 10 15 20 25 30 35 529 210 4 1984: A method for solar radiation computations using routine meteorological obser- vations, Energy and Buildings, Vol. 7 pp 341-352. De meteorologiska prognosema kan med fördel ha en tidsupplösning av 1 timme. Även annan tidsupplösning kan naturligtvis användas.

Vid tillämpning av uppfinningen ingår att ta hänsyn såväl till byggnadstekniska grunddata och byggnadens användningssätt som till hur byggnadens läge och omgivning påverkar meteorologiska indata. Man kan härvid göra en fullständigt individuell beräkning för varje enskilt hus eller kan man i många fall hänföra huset i olika avseenden till olika typfall. Exempelvis kan alla hus av viss ålder och allmän konstruktion antas uppvisa vissa värden pá bl.a. transmissionen genom väggar, tak och fönster. Detsamma gäller andra aspekter på byggnaden.

För att räkna fram prognosvärden på ET används en eller flera uppgifter under vardera nedanstående rubrik: Byggnadstekniska uppgifter o Uppgifter om byggnadens dimensioner (längd, bredd och höjd) o Uppgifter om värmeisolering (u-värden) för tak, väggar, golv och fönster o Uppgifter om byggnadens täthet (dimensionerande antal luftomsättningar per tidsenhet) o Uppgifter om mekanisk ventilation inkluderande information om graden av värmeåtervinning ur frànluft o Uppgifter om hur stor del av respektive fasad som består av fönsterytor o Uppgifter om husets huvudsakliga orientering o Uppgifter om fönsterytomas ljusgenomsläpplighet (transmissionsfaktor) o Uppgifter om byggnadens värmelagrande förmåga (tidskonstant).

Byggnadens användningssätt o Uppgifter om tillgänglig intemvänne under olika tider av dygnet för olika dagar.

Här avses värme som avges från elektriska eller andra apparater samt från personer. Man kan för en byggnad räkna individuellt pà detta tillskott, men ofta nog använda typfallsdata beroende på byggnadens användningssätt - bostad, skola, kontor m.m. o Uppgift om önskad temperatur inomhus 10 15 20 25 30 35 529 1210 5 Uppgiftema om byggnadstekniska egenskaper samt användningssätt inhämtas genom att ett indataforrnulär ifylls.

Byggnadens läge och omgivning o Byggnadens geografiska data (prognospunkt) o Uppgifter om bebyggelsetyp och ”markråhet” i prognospunktens omgivning (friktionskoefficient för vindberäkningar) o Uppgifter om horisontavskärmning (av annan bebyggelse, höjder m.m.) Uppgiftema om horisontavskärmning på grund av omgivande bebyggelse, topografi m.m. inhämtas via ovan nämnda indataformulår. Övriga uppgifter fastställs inom den meteorologlska produktionsprocessen.

Meteorologiska parametrar o Prognosvärden på lufttemperaturen utomhus o Prognosvärden pà vindriktning och vindhastighet o Prognosvården på molnighet, sikt, luftfuktighet och nederbördsförekomst l modellen ingående meteorologiska parametrar kan pà känt sätt erhållas ur normalt tillgängliga meteorologiska prognoser. För att förbättra noggrannheten är det normalt lämpligt att korrigera de meteorologiska parametrama med hänsyn till inverkan av byggnadens lokala omgivning - bebyggelsetyp, ”markràhet” etc. Det är väl känt för en fackman hur detta kan ske och i de hänvisningar till litteratur, som ges i den följande detaljerade beskrivningen av modellen, finns ledning för den obevandrade. l den följande detaljerade beskrivningen av modellen för ekvivalenttemperatur uttrycks nettobehovet N av värme enligt ekv. (1). Vännebehovet ansätts, enligt vad som redan anförts, såsom varande proportionellt mot differensen mellan önskad innetemperatur och den ekvivalenta temperaturen ET, d.v.s.

Nanvn-En wwmfi (3 vilket ger ET=n-Mm (æ 10 15 20 25 30 35 529 210 där N är det momentana nettoeffektbehovet för upprätthållande av innetemperaturen T, och k är specifik för varje definierad hustyp. Effektbehovet räknas per m2 upp- värmd golvyta. Ekv. (2) och (3) innebär att framledningstemperaturen i system med vattenburen värme kan regleras efter en enda rät linje med lutningen k.

För var och en av postema i ekv. (1) finns beräkningsmetoder, som är väl kända för en fackman pâ området. Den konkreta beräkningen av de olika parametrama kan således ske pà olika kända sätt och utgör ingen del av den grundläggande uppfin- ningstanken i föreliggande fall. För den som, till skillnad från en fackman pä omrä- det, inte är förtrogen med dessa beräkningar ges i det följande en-kort presentation av en typisk beräkning.

De olika termema i ekv. (1) beräknas för en encells-byggnad, dvs. utan hänsyn till interna skiljeväggar eller vâningsskiljande bjälklag. lnnetemperaturen förutsättes lika i hela byggnaden, vanligen = + 21°C. Samtliga termer beräknas som 1-timmes- värden med användande av observerade eller prognostiserade meteorologiska data.

Värmetransmission genom väggar och tak (term C) beräknas som C=u,,AT, där AT = (T, - To) är lufttemperaturskillnaden inne - ute och u, är ett effektivt, ytviktat medelvärde av värmegenomgàngskoeflicientema för hela klimatskalet (väggar, fönster, tak) ovan mark. Som indata för u-värdesberäkning kan man använda för byggnadsäret gällande byggnorm eller motsvarande. Altemativt används individuella data för byggnaden. Data och beräkningsmetoder för detta ges bl.a. av Hagentoft, C-E., 2001: Introduction to building physics. Studentlitteratur, Lund. Se även Ashrae Handbook 1981 Fundamentals, American Association of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, inc., Atlanta.

Värmeförluster pga. mekanisk ventilation (term F) är också proportionell mot temperaturskillnaden inne - ute, AT = (T, - To), och beräknas som F=nVp c, AT, 10 15 20 25 30 35» 529 210 7 där n är antalet luftomsättningar per timme, V är uppvärmd, ventilerad volym, p är rumsluftens densitet och c, är luftens specifika värmekapacitivitet. Hänsyn tas till olika ventilationsgrad dag resp. natt. Förlustema reducerads med hänsyn till känd eller uppskattad verkningsgrad (%) för värmeàtervinning i frànluften.

Värmeförlusten pga. självdrag (term I) beräknas som I = f(AP) AT Vp c, , där f(AP) anger antalet luftomsättningar per timme som funktion av tryckdifferensen AP ute -inne över klimathöljet. Erforderliga läckfaktorer bestäms med utgångs- punkt fràn normerande luftläckage enligt för byggnadsàret gällande byggnorm eller motsvarande. Tryckdifferensen beror av temperaturskillnaden ute -inne (A7) samt av vindhastigheten omräknad fràn referensnivàn 10 m över marken till taknocksnivà och med hänsynstagande till byggnadens vindexponering (inverkan från omgivande terräng och bebyggelse samt orientering relativt vindriktningen). Teori och metoder som kan användas för omräkningen till taknocksnivà finns i bl.a. Cook, N.J., 1985: The designers guide to wind loading of building structures, part 1, Building research establishment (BRE) Garston, Buttenivorths, London och Plate, E.J., 1971: Aero- dynamic characteristics of atmospheric boundary Iayers, AEC critical review series, National technical information service, US dep. of commerce, Springfield, Virginia.

För beräkning av vindtrycket används formfaktorer (tryckkoefficienter) för varje delyta av klimathöljet. Ytterligare information kan bl.a. inhämtas från AlVC, 1984.

Wind pressure data requirements for air infiltration calculations, Technical Note AlC 13, Air infiltration Centre, Bracknell eller Wirén, B., 1985: Efiects of surrounding buildings on wind pressure distributíons and ventilation Iosses for single-family houses. Part 1: 1 ßé-storey detached houses, M 85:19, Statens institut för byggnadsforskning, Gävle.

Beräkningen av funktionen f(AP) redovisas ingående iTaesler, R., 1986: Climate, buildings and energy exchange - an integrated approach. Tekniska meddelanden nr 297, inst. för uppvärmnings- och ventilationsteknik KTH, Stockholm. Beträffande modeller och metoder för självdragsberäkning se bl.a. Ashrae Handbook 1981 Fundamentals, American Association of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, lnc., Atlanta eller Herrlin, M.K., 1992: Air-flow studies in multizone 10 15» 20 25 3D 35 529 210 8 buildings. Models and applications, Dep. of building services engineering KTH, Swedish council for building research, Stockholm.

Värmeförluster till mark (tenn G) är en liten post och kan approximeras som konstant och proportionell mot differensen mellan innetemperaturen (T,) och uteluftens àrsmedeltemperatur (To ), AT, = (Ti - 7.1» )- G = kG ATW, där kG är värmegenomgàngskoefficienten för grundkonstruktionen mot mark. värmetillskott fràn elanvändning och personer (tenn EP) beror av byggnadens användningsområde och driftssätt. Värmetillskottet kan beräknas eller uppskattas. Överslagsvärden kan bestämmas ur Boverket, 1994: Byggnaders vänneenergi- behov, utgångspunkter för omfördelningsberâkning, Handbok, Boverket, byggnads- avdelningen, Karlskrona.

Solvärrnetillskottet (term S) beräknas med utgångspunkt från beräknad direkt och diffus solinstràlning mot respektive fasadyta med hänsyn till byggnadens orientering och omgivningens horlsontavskärrnning. Beräkningen redovisas i detalj iTaesler, R. och Andersson, C., 1984: A method for solar radiation computations using routine meteorological observations. Energy and Buildings, Vol. 7 pp 341 -352. Solvärme- tillskottet erhålles efter det att den beräknade instrálningen mot fönster reduceras med hänsyn till fönstrens transmissionsförmàga (2- eller 3-glas) samt ev. fasta sol- avskärmande anordningar (persienner mm.). Erforderliga transmissionsfaktorer kan bl.a. hämtas från Brown, G. och lsfält, E., 1974: Soiínstrålning och solavskännning, Rapport R 19:1974, Statens råd för byggnadsforskning, Stockholm.

Det ovanstående leder till följande ekvation för nettobehovet N N = (msxißixtir + e - EP - s (4) Koefficientema A och B bestäms genom multipelregression pà ekv. (4) med använ- dande av väderdata under en längre period, exempelvis ett helt års timvisa väder- data. Varje individuell byggnad och varje typhusfall kännetecknas av värdena på regressionskoefficientema A och B. En och samma kombination av meteorologiska 10 15 20 25 30 529 210 9 data (T, v, S) ger alltså olika värden på ET beroende på byggnadens egenskaper och läge (exponering).

Ekv. (2) och (3) ger nu följande uttryck för ekvivalenttemperaturen ET: Er = T- (1/A) xrßm/*XAT + G-EP - s) (5) Ekv. (5) innebär att ET kan bli antingen högre eller lägre än lufttemperaturen T beroende pà om ”gratisenergiema” (vännetillskotten EP + S) är större eller mindre än förlustema pga. vind och temperatur. Nettobehov av värme föreligger när ET < T,-.

Om man vill utnyttja byggnadens värmelagrande förmåga (tröghet) mäste vänne- tillförseln styras med framförhållning. Byggnadens tröghet anges vanligen med en tidskonstant. För den som, till skillnad från en fackman pà omrâdet, inte är förtrogen med beräkning av denna tidskonstant, som sker med utgångspunkt fràn tekniska data för byggnaden, hänvisas till Petersson, B-Å., 2001: Tillämpad byggnadsfysik, Studentlitteratur, Lund.

Trögheten kan man beakta genom att dels utjämna den prognostiserade, momen- tana ekvivalenta temperaturen med viktskoefficienter som beräknas med hänsyn till byggnadens tidskonstant, dels införa en förskjutning av tidsförloppet pà den utjäm- nade ekvivalenta temperaturen. Tidsförskjutningen blir vanligen 1-3 timmar.

En kort teoretisk redogörelse över hänsynstagande till byggnadens tröghet följer nedan.

Behovet av extemt tillförd värme vid tidpunkten tför upprätthållande av önskad innetemperatur med hänsynstagande till byggnadsstommens värmeavgívning eller värmeupptagning är N'(f) = NIf) + ANfl) (6) Motsvarande utjämnade ekvivalenta temperatur är ET'(t) = ET(t) + AET(t) (7) 529 210 10 Ett uttryck för AET(t) kan härledas enligt följande. En exponentiell ökning eller minskning av i byggnaden magasínerat värme med beloppet AN(t) över tidsinter- vallet 6 ger en motsvarande ändring iden utjämnade ekvivalenta temperaturen med 415m) went) e**/'(1-e~*/f) <8) där r är byggnadens tidskonstant.

Den utjämnade ekvivalenta temperaturen vid tiden to är då Erna) = Erna) + XAETKt), I=-f dvs. 10- Erïfa) = Erna) +íAEï(t)e"'ff(1-e"lf) (9) t =-f Ekv. (9) kan skrivas som ET'(r,,)-_- ET(f,,)-yET(f,,)+ïaflrysrçg, -f) (10) I=-f där pïagß) och a(f)=e~fff(1-e~*ff) (11) t==-f Koefficienten y och tidskonstanten 1 är relaterade av lim,_,,,, y = 1- 1/e=0,632.

Motsvarande värden av 7 och r ges i följande tabell Tidskonstant r Koefficient y 6 tim 0.535 24 tim 0.606 48 tim 0.619 72 tim 0.623 Använda värden Iiggeri intervallet 12 < r< 24 timmar. t) 1D 155 213 2:5 30 529 210 11 Effekten av ekv. (9) är att ge en momentant obalanserad värmebudget. Under perioder av sjunkande ET' blir värmetillförseln otillräcklig för att täcka den totala förlusten och omvänt under perioder med stigande ET'. Utjämningen reducerar variationer i värmeeffekt, speciellt effekttoppar, men tenderar ä andra sidan att orsaka en awikelse i ínnetemperaturen frán det önskade, konstanta värdet. Denna tendens motverkas av en minskning eller en ökning av det magasinerade värmet i byggnaden. För att hålla innetemperaturen inom acceptabla gränser får tids- konstanten i ekv. (9) inte väljas för stor.

För att styra värmelagringens inverkan pä den dagliga variationen i innetemperatur kan den ekvivalenta temperaturen ET' enligt ekv. (9) modifieras ytterligare enligt följande.

Emm) = E1"(f.,)+ Aerragetfif” (12) där AETm) = Eeifo + 61)- ETUO) (13) Tidssteget å* ger upphov till en fasförskjutning framåt. Den dagliga energibalansen påverkas inte av detta.

Sättet enlig uppfinningen kan självklart användas i nya reglersystem, men även i redan installerade reglersystem. l båda fallen ersätter man utetemperaturen med den ekvivalenta temperaturen vid regleringen.

Rent konkret beräknas värden på den ekvivalenta temperaturen, som ju baseras bl.a. på meteorologiska prognoser, av någon som kan utföra sådana, t.ex. SMHI, och sprids till abonnerande kunder som datafiler för användning i reglerutrustningen i deras byggnader. Av praktiska skäl sänds prognosdata för ett antal dagar framåt, vanligen 5 dygn, men andra perioder är naturligtvis tänkbara.

Claims (8)

10 15 20 25 30 5 529 210 12 Patentkrav:

1. Sätt att reglera uppvärmningen av en byggnad pà avsedd nivå, kännetecknat av att man för byggnaden fastställer byggnadsspecifika uppgifter i fomi av byggnads- tekniska uppgifter och uppgifter om byggnadens användningssätt och läge, att man prognostiserar meteorologiska parametrar för byggnadens läge, att man baserat på de byggnadsspecifika uppgiftema och de meteorologiska para- metrama beräknar en prognostiserad ekvivalent temperatur för byggnaden vid valda framtida tidpunkter, sådan att det föreligger ett linjärt samband mellan till- förd vämieeffekt och skillnaden mellan önskad innetemperatur och nämnda ekvivalenta temperatur och att man fortlöpande tillför värme i beroende av nämnda skillnad mellan önskad innetemperatur och nämnda ekvivalenta temperatur.

2. Sätt enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t a v att man korrigerar de meteorologiska parametrama med hänsyn till inverkan av byggnadens lokala om- givning och använder de så korrigerade meteorologiska parametrama i beräkning- ama av den prognostiserade ekvivalenta temperaturen.

3. Sätt enligt patentkravet1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att man tar hänsyn till byggnadens tröghet genom att utjämna tidsförloppet för den ekvivalenta temperaturen med hänsyn till byggnadens tidskonstant.

4. Sätt enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t a v att man tar hänsyn till byggnadens tröghet genom att införa en förskjutning av tidsförloppet för den ekvivalenta temperaturen.

5. Sätt enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t a v att de byggnadstekniska uppgiftema omfattar en eller fler av följande uppgifter, nämligen uppgifter om byggnadens dimensioner, uppgifter om värmeisoleringen för dess tak, väggar, golv och fönster, uppgifter om byggnadens täthet, uppgifter om graden av värmeàtervinning ur byggnadens fränluft, uppgifter om andelen fönsteryta på bygg- nadens respektive fasad, uppgifter om byggnadens huvudsakliga orientering, uppgift om fönsterytornas transmissionsfaktor och uppgifter om byggnadens värmelagrande förmåga. 10 5 529 210 13

6. Sätt enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a t giftema om byggnadens användningssätt omfattar en eller fler av följande uppgifter, nämligen uppgifter om tillgänglig intemvârme vid olika tider på dygnet för olika dagar från personer och värmealstrande apparater och en uppgift om önskad inne- temperatur. a v att upp-

7. Sätt enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t a v att upp- giftema om meteorologiska parametrar för byggnadens läge omfattar en eller flera av följande uppgifter, nämligen prognosvärden på lufttemperaturen utomhus, prognosvârden pà vindriktning och vindhastighet och prognosvärden pà molnighet, sikt, luftfuktighet och nederbördsförekomst.

8. Sätt enligt något av patentkraven 2-7, k ä n n e t e c k n a t a v att upp- giftema om byggnadens lokala omgivning omfattar en eller fler av följande uppgifter, nämligen uppgift om omgivande bebyggelsetyp, markråhet för lokala vindberäk- ningar och uppgifter om horisontavskärmningar runt byggnaden beroende pà byggnader och naturliga höjder.