Ilmanvaihtokoneen mitoituksen optimointi tarpeenmukaisessa ilmanvaihtojärjestelmässä
Vattu, Oskari (2022)
Vattu, Oskari
2022
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2022053013055
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2022053013055
Tiivistelmä
Tämä tutkimus käsittelee tarpeenmukaisen ilmanvaihdon energiatehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä tulevien kohteiden laadukkaamman mitoittamisen tueksi. Työn tavoitteena on esitellä tarpeenmukaisen ilmanvaihtojärjestelmän mitoittamiseen liittyviä vaiheita ja virheellisen suunnittelun mahdollisia seurauksia toiminnalle sekä järjestelmän energiatehokkuudelle. Tarpeenmukaisessa ilmanvaihtojärjestelmässä ilmanvaihtokoneet usein ylimitoitetaan todellista käyttöä suuremmille käyttöasteille, jolloin on olemassa riski, että järjestelmän energiatehokkuus kärsii ja toiminnassa ilmenee häiriöitä, jotka pahimmassa tapauksessa johtavat toteutumattomiin sisäilmastotavoitteisiin. Työssä on esitelty rakennusten toteutuneita ilmamääriä sekä käyttöasteita aiemmista tutkimuksista, sekä lisäksi tutkittu lähivuosina rakennetuista kahdesta päiväkodista sekä yhdestä koulurakennuksesta toteutuneita ilmamääriä suhteessa ilmanvaihtokoneiden kapasiteettiin.
Tutkittujen kohteiden tuloksista tarkastellaan, kuinka optimaalisesti ilmanvaihtokoneet toimivat puhaltimien toteutuneiden toimintapisteiden perusteella. Työn toimeksiantaja on suunnittelutoimisto Instate Oy ja tutkimus on tehty yhteistyössä ilmanvaihtokonevalmistaja Oy Swegon Ab:n kanssa, jonka ilmanvaihtokoneet tutkituissa kohteissa on. Ilmanvaihtokoneet ovat yhteydessä Swegon Connect -pilvipalveluun, joka tallentaa toteutuneita ilmanvaihtojärjestelmän ilmavirtoja minuutin tarkkuudella. Ilmanvaihtokoneiden toteutuneet ilmamäärät on siirretty pilvipalvelusta exceliin, jossa tietoja on analysoitu Pivot-taulukoiden sekä Pivot-kaavioiden avulla.
Kerätyn datan pohjalta muodostetuista kaavioista hahmottuvat tarpeenmukaisen ilmanvaihdon huomattavat vaihtelut päivien aikana. Kaikkia tarkasteltuja kohteita yhdistävä tekijä on, että koko tarkastelujakson aikana minimi-ilmamäärien osuus on merkittävä, ja suurimman osan ajasta ilmanvaihtokoneet toimivat alle 50 % teholla niiden kokonaiskapasiteettiin nähden. Tarkastelluissa ilmanvaihtokoneissa toteutuneet ilmamäärät jäävät huipputilanteissakin huomattavasti alle 100 % tehon, mutta tästä huolimatta ainoastaan yhden koneen tapauksessa olisi saavutettu konkreettista etua valitsemalla pienempi ilmanvaihtokone sekä puhaltimet. Etu on kuitenkin merkittävä, sillä ylimitoitetussa ilmanvaihtokoneessa minimi-ilmavirrat kattavat 64 % tarkastelujaksosta, ja tällöin toimintapiste jää kokonaan puhallinkäyrän ulkopuolelle.
Työn tuloksien perusteella voidaan arvioida tarkemmin tulevien tarpeenmukaisten ilmanvaihtojärjestelmien todennäköisiä toimintapisteitä energiatehokkaamman toiminnan saavuttamiseksi. Työssä käsitellään pääasiallisesti päiväkoti- ja koulurakennuksia, mutta se on myös sovellettavissa esimerkiksi toimistorakennuksia varten. Työ antaa myös pohjaa lisätutkimuksille, jotta saadaan tulevaisuudessa yhä tarkempia vertailukohteita ilmanvaihtokoneiden mitoitusten optimointiin tarpeenmukaisissa ilmanvaihtojärjestelmissä. The topic of this thesis is to investigate the factors which have an influence on energy-efficiency of air handling units (AHU) in demand-controlled ventilation (DCV) for proper dimensioning. The objective of this research was to examine the phases related to dimensioning AHU in DCV-system and to take into account the consequences of errors in results of energy-efficiency and quality of operation in the system. Air handling units are often over-dimensioned in DCV-systems for greater occupancy rates than what is necessary in reality. This may lead to poor energy-efficiency and in worst-case scenarios to unachieved target indoor air quality (IAQ) levels. The actual ventilation rates and occupancy levels are presented from the earlier studies. In addition, new studies are introduced from recently built two day-care centres and one primary school. The results achieved from these examples are compared to maximum air volume capacity of the air handling units of these buildings.
The collected data has been analyzed in order to investigate how optimized the sizes of the air handling units based on the actual operating points in fans are. The DCV-systems in examined buildings are provided by Oy Swegon Ab, and the systems are linked into cloud computing system Swegon Connect, which records the actual ventilation rates of air handling units achieving one minute accuracy. The ventilation rates are imported to Excel and they have been analyzed by Pivot Tables and Pivot Charts.
All three examined buildings show great differences in demanded air flows during the days. The study shows, that significant part of examined periods are in fact operated on minimum airflows. Most of the time period, the air handling units are operated under 50 % of the maximum capacity and actual ventilation rates on the highest points are considerably lower than the maximum capacity. Yet, in only one case, reasonable benefits by selecting smaller AHU and fans are achieved, since they are operating on minimum airflows, which is 64 % of the time period below than the recommended area in fan curve.
In conclusion, based on the results, more precise dimensioning of air handling units can be achieved in the future designs of DCV-systems. This thesis also shows, that more studies are needed in the field of actual ventilation rates of DCV-systems in various buildings, in order to achieve more optimized AHU design in demand-controlled ventilation systems.
Tutkittujen kohteiden tuloksista tarkastellaan, kuinka optimaalisesti ilmanvaihtokoneet toimivat puhaltimien toteutuneiden toimintapisteiden perusteella. Työn toimeksiantaja on suunnittelutoimisto Instate Oy ja tutkimus on tehty yhteistyössä ilmanvaihtokonevalmistaja Oy Swegon Ab:n kanssa, jonka ilmanvaihtokoneet tutkituissa kohteissa on. Ilmanvaihtokoneet ovat yhteydessä Swegon Connect -pilvipalveluun, joka tallentaa toteutuneita ilmanvaihtojärjestelmän ilmavirtoja minuutin tarkkuudella. Ilmanvaihtokoneiden toteutuneet ilmamäärät on siirretty pilvipalvelusta exceliin, jossa tietoja on analysoitu Pivot-taulukoiden sekä Pivot-kaavioiden avulla.
Kerätyn datan pohjalta muodostetuista kaavioista hahmottuvat tarpeenmukaisen ilmanvaihdon huomattavat vaihtelut päivien aikana. Kaikkia tarkasteltuja kohteita yhdistävä tekijä on, että koko tarkastelujakson aikana minimi-ilmamäärien osuus on merkittävä, ja suurimman osan ajasta ilmanvaihtokoneet toimivat alle 50 % teholla niiden kokonaiskapasiteettiin nähden. Tarkastelluissa ilmanvaihtokoneissa toteutuneet ilmamäärät jäävät huipputilanteissakin huomattavasti alle 100 % tehon, mutta tästä huolimatta ainoastaan yhden koneen tapauksessa olisi saavutettu konkreettista etua valitsemalla pienempi ilmanvaihtokone sekä puhaltimet. Etu on kuitenkin merkittävä, sillä ylimitoitetussa ilmanvaihtokoneessa minimi-ilmavirrat kattavat 64 % tarkastelujaksosta, ja tällöin toimintapiste jää kokonaan puhallinkäyrän ulkopuolelle.
Työn tuloksien perusteella voidaan arvioida tarkemmin tulevien tarpeenmukaisten ilmanvaihtojärjestelmien todennäköisiä toimintapisteitä energiatehokkaamman toiminnan saavuttamiseksi. Työssä käsitellään pääasiallisesti päiväkoti- ja koulurakennuksia, mutta se on myös sovellettavissa esimerkiksi toimistorakennuksia varten. Työ antaa myös pohjaa lisätutkimuksille, jotta saadaan tulevaisuudessa yhä tarkempia vertailukohteita ilmanvaihtokoneiden mitoitusten optimointiin tarpeenmukaisissa ilmanvaihtojärjestelmissä.
The collected data has been analyzed in order to investigate how optimized the sizes of the air handling units based on the actual operating points in fans are. The DCV-systems in examined buildings are provided by Oy Swegon Ab, and the systems are linked into cloud computing system Swegon Connect, which records the actual ventilation rates of air handling units achieving one minute accuracy. The ventilation rates are imported to Excel and they have been analyzed by Pivot Tables and Pivot Charts.
All three examined buildings show great differences in demanded air flows during the days. The study shows, that significant part of examined periods are in fact operated on minimum airflows. Most of the time period, the air handling units are operated under 50 % of the maximum capacity and actual ventilation rates on the highest points are considerably lower than the maximum capacity. Yet, in only one case, reasonable benefits by selecting smaller AHU and fans are achieved, since they are operating on minimum airflows, which is 64 % of the time period below than the recommended area in fan curve.
In conclusion, based on the results, more precise dimensioning of air handling units can be achieved in the future designs of DCV-systems. This thesis also shows, that more studies are needed in the field of actual ventilation rates of DCV-systems in various buildings, in order to achieve more optimized AHU design in demand-controlled ventilation systems.