Luftbåren oppvarming med konstante volumsystem (CAV) i passivhus

Abstract

Denne oppgaven undersøker luftbåren oppvarming med konstante volumsystem (CAV) i passivhus. Slike bygg kjennetegnes ved god isolasjonsevne og høy lufttetthet. Varmetilskudd fra sol og internlast kan derfor benyttes til å dekke oppvarmingsbehovet. Oppvarming via ventilasjonsluft kan dekke det resterende varmetapet under vinterforhold. Hovedfokuset til oppgaven har vært klimatiseringsprinsippets effekt på luftbevegelser og temperaturfordeling i rommet under dimensjonerende utetemperatur, samt sesong- og døgnvariasjon av termisk komfort. Det er dannet teoretisk grunnlag for ikke-isoterm lufttilførsel, med fokus på varm ventilasjonsluft. Krav for tilfredsstillende termisk inneklima og luftkvalitet er også presentert. Et litteraturstudie er benyttet til å belyse erfaringene med luftbåren oppvarming i moderne bygninger. Betaversjon av IDA ICE 5.0 med innebygd sonemodell for luftbevegelser er benyttet til å besvare problemstillingen. Et soverom i psykiatrisk avdeling ved Nytt Sykehus Drammen (NSD) er valgt som eksempelrom i simuleringene. Klima i Bergen, Oslo, Vadsø og Kautokeino er benyttet. Tre caser med tilhørende forskningsspørsmål er definert. Validering av programvaren er gjort med et fullskala eksperiment og tilhørende modell av eksperimentet.

Teoristudiet belyser hvordan tilluftens oppdriftskrefter og treghetskrefter, avtrekkventilens høyde over gulvet, og isolasjonsevne til ulike bygningsdeler påvirker temperaturfordeling og luftbevegelser i rommet. To av casene studerer disse faktorene i pasientrommet, og simuleringsresultater sammenlignes med funn presentert i litteraturstudiet. Termisk inneklima granskes i den tredje casen og simuleringsresultater vurderes opp mot kravene presentert i teoristudiet.

Resultater fra den ene casen viser at luftbevegelser og temperaturfordeling i rommet først og fremst avhenginger av tilluftstemperaturen. Dette støttes av teori om ikke-isoterm lufttilførsel. Årsaken er at oppdriftskrefter får større betydning langs stråleforløpet, sammenlignet med tilluftsstrålens treghetskrefter. Tillufttemperatur påvirker også formen på det vertikale temperaturprofilet. Konveksjonstrømmer ved kjølige vindusflater er av betydning for lagdelingen i soverommet. Dette samsvarer med funn presentert i litteraturstudiet. Oppvarmingsbehovet avgjør effekten som de overnevnte faktorene har på temperaturfordeling og luftbevegelser i rommet. Høyere tillufttemperatur fører til større temperaturforskjell mellom gulv og tak. Dette gir redusert ventilasjonseffektivitet, i henhold til teori. For eksempelrommet og klimaforholdene som er simulert i casen er stor temperaturforskjell observert under dimensjonerende utetemperatur i Kautokeino og Vadsø. Resultater fra den andre casen viser at avtrekkventilens høyde over gulvet påvirker inneklima og energibruken til ventilasjonssystemet. Dersom avtrekket plasseres ved taket kan deler av ventilasjonsluften kortsluttes. Funn presentert i litteraturstudiet indikerer at ventilasjonseffektiviteten reduseres. Betydningen som avtrekkventilens høyde har på energibruken og inneklima er større ved høyere oppvarmingsbehov.

Resultater fra den tredje casen viser at termisk inneklima i pasientrommet kategoriseres som kaldt sammenlignet med krav til norsk standard NS 7730 for termisk komfort. Dette gjelder i alle klima som er undersøkt. Årsaken er kald stråling fra vinduer. Termisk komfort avhenger av klima i byene, ettersom overflatetemperatur på vinduene påvirkes av utetemperaturen. Kjøligere inneklima er derfor observert i soverommet i Kautokeino, sammenlignet med Oslo og Bergen. Redusert termisk komfort oppstår i fyringsperioden. Vertikal temperaturgradient gir ikke lokalt termisk ubehag i pasientrommet. Dette gjelder alle undersøkte klima. Lokalt termisk ubehag grunnet trekk kan oppstå i sommermånedene. Dette skyldes at tilluftstrålen avløses fra taket, og faller ned i oppholdssonen. Det termiske inneklima avhenger av en rekke forhold som kombinert avgjør komfort. Forholdene inkluderer blant annet bruk av rommet, bekledning- og aktivitetsnivå, solinnstråling og variasjon i utetemperatur. For å avgjøre om klimatiseringsprinsippet gir termisk komfort i norsk klima, bør flere typer rom og klimatyper undersøkes utover valgt omfang av oppgaven.

The thesis investigates warm air heating with constant air volume systems (CAV) in passive houses. These buildings are characterized by having well-insulated air tight building envelopes. Solar heat gain and heat gain from internal loads can therefore be utilized to cover the heat loss. During winter conditions, heated ventilation air can be used to cover the remaining heating demand. The focus of the thesis is the temperature distribution and air movement during winter design conditions, as well as seasonal variations of thermal comfort. A theoretical foundation for non-isothermal air supply is presented, focusing on warm ventilation air. Requirements to ensure thermal comfort and acceptable indoor air quality are also described. A literature review presents the experience with warm air heating in modern buildings. Simulations are performed using the betaversion of IDA ICE 5.0, which has a zonal model for air movement analysis. A patient room at the New hospital in Drammen is chosen as the case room. The climate in the Norwegian cities Bergen, Oslo, Vadsø and Kautokeino is considered. Three cases are defined with corresponding research questions. The program is validated with a full-scale experiment to evaluate the reliability of simulation results.

The theoretical study describes how the momentum and buoyancy of the supply air jet, the exhaust terminal's height above the floor, and insulation of building parts affect the temperature distribution and air movement in a room. Two of the cases investigate these factors in the patient room, and simulation results are compared to findings from in the literature review. The thermal environment is considered in the third case, and results are assessed against the requirements presented in the theoretical study.

Results from the first case show that air movement and temperature distribution in the room depends primarily on the temperature of the supply jet. This is supported by theory regarding non-isothermal air supply. The reason is that buoyancy forces become more important during the course of the jet, compared to the momentum. The supply temperature also affects the shape of the vertical temperature profile. This corresponds to findings presented in the literature review. Convection currents near cold windows contribute to stratification in the room. The heating demand decides the effect that the factors mentioned above have on the indoor climate. At a higher supply air temperature the stratification becomes more stable, which results in reduced ventilation efficiency, according to the theoretical study. The results show that the temperature difference between the floor and the ceiling is large during the design conditions in Kautokeino and Vadsø. The height of the exhaust terminal affects the indoor climate and the energy use of the ventilation system. If the exhaust is placed near the ceiling, parts of the heated ventilation air can be short circuited. Findings from the literature review indicate that the ventilation efficiency is reduced. The height of the exhaust is of larger importance for the energy use and indoor climate at a higher heating demand.

The thermal environment in the patient room is characterized as cold, with regard to requirements in the Norwegian standard NS 7730 for thermal comfort. This applies for all climates investigated. The result is due to cold radiation from windows. Thermal comfort depends on the outdoor climate, because the surface temperature of windows is affected by the outdoor temperature. A colder thermal environment is therefore found in Kautokeino, compared to Oslo and Bergen. Reduced thermal comfort is observed during the heating season. The vertical temperature gradient does not give local thermal discomfort in the patient room. This applies for all climate types. Local thermal discomfort due to draught will occur in the sommer months. This is the result of the supply jet slipping from the ceiling, and falling into the occupied zone. The thermal environment is dependent on a number of conditions that combined affect the thermal comfort. The conditions include clothing and activity level, outdoor climate, the intended use of the room, and utilization of heat from internal loads and solar heat gain. To properly assess if the heating system ensures thermal comfort in Norwegian climate, a more diverse set of room applications and climate types should be additionally investigated.