Indirect Evaporative- and Desiccant Wheel Cooling for Norwegian Office

Abstract

Globale kjølebehov er i stadig økning og handlinger må derfor gjøres for å sørge for at driftingen av VVS-systemer blir mer klimavennlige og så energieffektive som mulig. Tradisjonelle kjølemaskiner inneholder kjølemidler som kan være miljøskadelige og krever energi av høy kvalitet, som elektrisitet, for og driftes. Kjøling ved hjelp av befukting fjerner dette problemet da det ikke krever noen spesielle kjølemidler. På den andre siden avhenger slik kjøling på uteforholdene og kan gi utilstrekkelig kjøling. Kjøling ved hjelp av sorpsjonhjul kan løse disse problemene da den absolutte fuktigheten i tilluften reduseres før befuktningskjølingen skjer. Sorpsjonshjul drives av termisk energi, noe som kan forsynes av fornybare energikilder som solenergi.

En forenklet modell av et sorpsjonshjul er utviklet i bygningssimuleringsverktøyet IDA ICE. Ytelsen av hjulet har blitt analysert for et standard norsk kontorbygg og sammenlignet med adiabatisk kjøling og tradisjonell kjøling med kjølemaskin.

Modellen av sorpsjonshjulet er en fortsettelse på en modell som ble utviklet høsten 2021 ved spesialiseringsemne foran denne masteroppgaven. Ytelsen av den forbedrede modellen er avhengig av fire forskjellige parameter i stedet for to, og regenereringstemperaturen settes nå ut fra det faktiske behovet for å redusere energibehovet. Modellen klarer å fjerne fukt og samtidig holde entalpien konstant, og opprettholder derfor de termodynamiske egenskapene for sorpsjonshjul.

Anvendte systemer i Norge er også analysert for å få kunnskap om konfigurasjoner, parameter og kontrollstrategier brukt i praksis. Få bygninger i Norge benytter sorpsjonskjøling på grunn av høye investeringskostnader.

Resultatet fra simuleringene tyder på at adiabatisk kjøling klarer å senke kjølebehovet uten å påvirke den termiske komforten i bygget, da fuktigheten i tilluften er uendret. Om en adiabatisk befukter legges til på tilluftsiden fører det til enda lavere kjølebehov, men mot noe dårligere termisk komfort og økt PPD. Ved sorpsjonskjøling ble det klart at settpunkt for aktivering av hjulet har stor påvirkning på energibehovet for regenerering. Ved endring av settpunkt fra 16 C til 20 C ble energibehovet for regenerering senket med cirka 51%.

Resultatene fra studiet er basert på netto energibehov, hvilket betyr at energiproduksjon og tap ikke er tatt hensyn til. En videre studie med fokus på levert energi er foreslått for å få en mer grundig sammenligning. En slik sammenligning bør inkludere utnyttelsen av fornybare energikilder, som solfangere, for å få det fulle potensialet fra sorpsjonskjøling.

Global cooling demands are on the rise and actions must therefore be taken to make the operation of HVAC systems more climate-friendly and as energy-efficient as possible. Traditional vapor compression refrigeration cycles possess refrigerants that could be environmentally harmful and require high-grade energy, as electrical energy, for operation. Evaporative cooling techniques dismiss this problem as it does not require any special refrigerants. On the other hand, these evaporative cooling techniques rely on outdoor conditions and may produce insufficient cooling. Rotary desiccant cooling can address these issues as the absolute humidity of the supply air is reduced before being introduced to the evaporative cooler. Desiccant wheels are operated using thermal energy, which can be supplied by lower-grade renewable energy sources like solar energy.

A simplified model of a rotating desiccant wheel has been developed in the building simulation tool IDA ICE. The performance of the desiccant cooling system has been analyzed for a Norwegian office building and compared to indirect evaporative cooling (IEC) and traditional mechanical cooling.

The desiccant wheel model is a continuation of a model that was made in Fall 2021 for a specialization project ahead of this master thesis. The performance of the improved model is dependent on four different parameters rather than two, and the regeneration temperature is now set according to the demand to reduce the energy need. The model is successful in removing moisture while keeping the enthalpy of the air constant, meaning the thermodynamic principles of desiccant wheels are maintained.

Applied systems in Norway are also analyzed to gain knowledge of actual configurations, parameters and control strategies used. Few buildings in Norway possess desiccant cooling, mostly because of high investment costs.

The results of the simulated cases indicated that the AHU configuration with IEC manages to reduce the cooling energy need without influencing the thermal comfort of the building, as the humidity on the supply side remains unchanged. Combining direct- and indirect evaporative cooling resulted in further reduction of cooling energy need, but with slightly reduced thermal comfort. The activation set-point of the desiccant wheel was found to be significant for the energy need due to regeneration of the wheel. Increasing the activation set-point from 16 C to 20 C led to a reduction in regeneration energy need of about 51%.

The results of this study is based on net energy need, meaning energy production and losses are not considered. A further study with more focus on delivered energy is therefore suggested to get a more thorough comparison. A such comparison should include the utilization of renewable energy production, as solar thermal collectors, to get the full potential out of the desiccant cooling system.