Jafnvægis- og stýringarlausnir – Hvernig á að hanna þær

Grein/Linkur: How to design a balancing and control solution for energy efficent hydronic application in commercial buildings

Höfundur: Sveinn Áki Sverrisson

Heimild:

.

.

Ágúst 2025

Hvernig á að hanna jafnvægis- og stýringarlausn fyrir orkunýtnar vatnsmiðaðar kerfislausnir í atvinnuhúsnæði.

Norðurturninn

Norðurturninn er 18000m2 skrifstofubygging 15.hæðar. Þar eru höfuðstöðvar Íslandsbanka ásamt mörgum fyrirtækjum í hugbúnaðargerð og ýmissi annari starfsemi.

Norðurturninn er með vélræna loftræsingu svo kallað ECONET – loftræsisamstæðu sem endurvinnur varmann úr útkastlofti, er með kælingu, á útilofti. Inn á vinnusvæðum eru kælirafta yfir vinnusvæðum. Húshitun er með ofnum á jaðarsvæðum.

Í gluggum er gler með sólarstuðul 0,25 og Ugildi 1,7 og WWR stuðulinn 60%. Útsýni er mikið.

Kynning á verkefninu

Í nokkurn tíma hefur höfundur fengist við að rannsaka hita – og kælikerfi í Norðurturni. Þessi kerfi voru ekki fullgerð og í þau vantaði allan búnað til kvikrar jafnvægisstillingar, en kerfið er búið jafnvægisstillingu fyrir stöðuga jafnvægisstillingu, en hún er ófullkomin fyrir svona stór verk.

Rannsókning gengur mest út á það að kanna og skoða hvernig hægt sé að hanna jafnvægisstillingu þannig að kerfi séu jafn góð að vinna við hámrksafköst eða hlutaálag..

Við vitum það að þegar ofnlokar eða mótorlokar loka þá gerist það að þrýstngurinn eykst og þess vegna fáum mikið of mikið heitt vatn til að fylgja öðru streymi sem ekki þarf meira vatn sem þýðir að bakrásarhitinnn hækkar og orkuskilvirknin fellur. Þetta fyrirbæri er kallað yfirstreymi og gerir kerfið óskilvirt.

Einnig var settur upp búnaður til að regla framrásarhitann að ofnum á öllum hæðum og er meiningin að prófa þennan búnað.

Rennsli og þrýstisveiflur í kerfum

Þessi greinargerð er samantekt á atriðum sem hafa verið rannsökuð og eru enn í vinnslu. Hugmyndin er að gerð verði skýrsla um niðurstöður þessarar rannsókna sem verður ritrýndar og send til útgáfu.

Grunnur að tækni og lausnum kemur frá ritum Danfoss um efnið. Danfoss hefur gert margar rannsóknir á orkusparnaði bygginga með því að innleiða nýjan búnað..

Fyrstu hemildir eru Danfoss application guide: How to design a balancing and control solution for energy efficent hydronic application in residential and commercial buildings. Þessar leiðbeiningar eru mjög ítarlegar og ómissandi fyrir hönnuði sem eru að hanna lagnir. Þarrna eru allar úgáfur af uppsetningum og hvernig hægt er að tengja þær saman og vera öruggur að kerfið sé í lagi. Þetta snýst um að kerfið geti unnið á hlutaálagi og mesta álagi án þess að hávaði myndist og sé með nákvæma stýringu á innihita.

Inngangur að jafnvægisstillingum ofna

Afl frá ofnum í Norðurturni er 630W við fullt álag. Þá er mjög kalt úti en þetta ástand stendur mjög stutt yfir. og hæpið að við höfum not fyrir allt aflið eða 630W. Líklega mun þörfin vera á sviði sem kalla má hlutaálag A eða 70%. Engu að síður verður að læsa 630W með því að forstilla ofnlokann í fastri tölu og stilla þrýstijafnarann í þess knippi ofna á útreiknað þrýstifall og tékkað af með þrýstimælingu. Þessi stilling og mæling er griðarlega mkilvæg. Stilling þrystijafnara er kannski 8kPa, þar sem 5kPa fara í ofnlokann.

Eftir er aðjafnvægisstillla ofnakerfi í Norðurturni. Mælingar hafa verið gerðar í nokkra mánuði á breytingum á þrýstingi á ofnalögnum. Mismunaþrýstimæling er tekin á greingu frá stofni inn á hæð. Algengt er að breytingin á þrýstingi sé +0,2-0,5bar. eða 20-50kPa. Allir þrýstijafnarar sem eru á stofnlögn inn á hæð eru stilltir á 0,3bar.

Við mesta álag þá er þrýstifall í lögnum úti „index“ ofn 12kPa.- 15kPa. Þegar ofnlokar loka þá felllur hann en stígur þegar ofnloki opnar. . Þegar þeir loka þá fellur vatnshraði og þrýstfall í lögn minnkar. Vegna þess að enginn hemill er á hversu mikið vatn flæðir inn að lögnum þar sem það vantar forstillingu ofnloka eru þessar sveiflur í þrýsting líklega of háar. Það verður gerð prófun að setja forstillingu á eina hæð og skoða árangur. Þessi prófun verður gerð á einni hæð eða hæð 10.

Jafnvægisstilling ein hæð til reynslu – test 1

Jafnvægisstilling stærri hitakerfa en sem nemur fleirri ofnar en 20 ofnar er alltaf kvik (dynamisk). Þær aðferðir eru eins og myndin hér að neðan sýnir að setja PICV-ofnloka á alla ofna eða vera með forstillta ofna og taka saman ofnagrúppu (<20 stk.) og setja á sér DP-þrýstistilli. Í Norðuturni ert 63 ofnar. Hægt er að hafa DP-þrýstistilli við ofna eins og sýnd er á mynd hér að neðan. Fyrsta prófun er án DP-þrýstistilli.

1. Stilla ofnkrana á réttar undirstilllingar sem er 2
2. Tékkmæla ofnakerfi með mælingui á „index“ ofni og stilla þrýstijafnara a stofni

Fyrikomulag stofnlagna fyrir kælivatn og ofnalagnir

Kælilagnir inn á hæð

Norðurturninn í Kópavogur er hannaður með kæliþörf 50 W per m², marfaldað með 16700 m² vinnusvæði sem gefur afköst 835 kW. Dæla er staðsett í kjallara og dælir inná tvo stofna. Annar gengur upp á 9.hæð en hinn upp á 15.hæð. Þegar stofnlagnir liggja að og frá viðkomandi hæð eru stopplokar og strenglokar á skilum hæðar. Fulllur þrýstingur kemur inn á hæðina og tengist DP-stýriloki á gruppum kælirafta.

Ofnalagnir

Myndin hér að neðan sýnir ofnakerfi með 100% álagi og síðan á hlutaálagi 50% við hliðina. Þrýstingurinn í strengur er ekki stýrður. Það sem þessi mynd sýnir okkur er að við 100% er flæði í hámarki, en þegar það er á 50% hlutaálagi er ofstreymi mikið. Það stafar af þrýstingi sem myndast í strengnum vegna þess að flæðið er minna og þrýstingur færist frá pípum og yfir á ofnlokana

Á myndinn hér fyrir neðan er hitakerfi sem er með 100% álagi og 50% hlutaálag, en munurinn hér og á fyrri mynd er að það er kominn DP-stjórnloki fyrir enda á streng sem heldur þrýstingi stöðugum.

Að hafa DP-loka við enda á ofnastreng, minnkar yfirstraum mikið.

Afköst ofnalagnar

• Afköst hitakerfis eru reiknuð 40.6 W per m² á 18172 000 m² sem gefur max álag 1.000.000W.

Loftræsing

• Loftmagnsþörf er 1.2 L/s per m². Fyrir 16 700 m² gólfflöt, gerir það um það bil 20.0 m³/s af útilofti til að tryggja gott inniloft.
• Kæling með vatni með kæliröftum minnkar þörf fyrir stóra loftstokka og flutt varma úr bygingunni er mjög skilvirt þar sem miðað við massa flytur vatn fjórum sinnum meira en loft og 3000 sinnum meira samkvæmt rúmmáli

---

---

Loftstreymi og innivist

Hefðbundin loftræstikerfi flytja varma með lofti í gegnum loftstokka, sem veldur tiltölulega miklum lofthraða og getur valdið upplifaðri trekktilfinningu hjá notendum. Vatnskerfi, svo sem ofnakerfi og virkir kæliraftar, flytja varma með vatni. Við það verður loftstreymi nánast ógreinanlegt og hitadreifing jafnari í rýminu. Niðurstaðan er minni líkur á staðbundnum kulda- eða hitasvæðum og engin beint skynjuð loftblástur á notendur.

Loftrásir og rýmisþörf búnaðar

Hefðbundin loftræsti- og kælikerfi krefjast umfangsmikilla loftrása sem eru stærðar bæði fyrir loftræstingu og varmaflutning. Vatnsbundin kerfi og virk kæliraftari draga hins vegar verulega úr stærð loftrása eða fella niður þörfina fyrir stórar aðalrásir, þar sem vatn flytur megnið af varmanum. Þetta losar um loftahæð, lækkar efnis- og uppsetningarkostnað og auðveldar samþættingu við byggingarhönnun.

Viðhald og hávaði

Hefðbundin viftudrifin loftræsti- og kælikerfi krefjast reglulegs viðhalds á síum, beltum og mótorum, auk reglulegrar hreinsunar loftrása. Vatnsbundin kerfi og kælibeam-einingar hafa hins vegar fáar hreyfanlegar einingar, sem dregur úr viðhaldsþörf og rekstrarkostnaði yfir líftíma kerfisins. Þar sem engar stórar viftur eru notaðar eru kælibeam-einingar sérstaklega hljóðlátar og veita nánast hljóðlausan rekstur sem eykur notendaþægindi og dregur úr hávaðamengun.

Ofnakerfi – Afköst ofnalagnar

Heating demands were calculated at 40.6 W per m² over an 18172 000 m² footprint, resulting in a peak heating load of about 1.000.000W for the building. Ofnakerfi innan hverrar hæðar en á hæðum eru 63 ofnar og hver ofn gefur 630W. Það gefur 40kW. DT=40°C, rennsli qv=860l/h. Á 15.hæð er 33ofnar eða 21kW,DT=40, qv=0432l/h. Ofnum er samstýrt með mótorlokum á kæliröftum. Ofnar eru með stjórnun á framrásarhita eftir útihita

Framrásarhita að ofnum er stýrt miðað við útihita

Það dregur úr orkunotkun með því að minnka framrásarhitann miðað við útihitann. Það er líka hægt að °hækka kælivatnshitann miðað við útihita. Það virkar þægilegra fyrir notendur. Ofnlokar eru mótordrifnir á öllum ofnum. Þegar varmaálag er eins og fyrir 50% hlutaálag er erfiðara fyrir omflokann að stjórna innihita ef framrásarhiti væri 80°C. Það segir reynslan. Ef útihiti væri 0°C þá væri framrásarhiti 55°C í stað 80¨C.

---

4. Dæmi um kúrfu fyrir endursetningu miðað við útihita

---

Dælukerfi fyrir blöndun hitaveituvatns

Mótoloki á blöndunarkerfi er í píputengingu við tengigrind hitaveitu. Þar er þrýstimæling sem sýnir að þrýstingur er óstöðugur. Óstöðugur þrýstingur hefur áhrif á rennsli hitaveitu um dælu fyrir efstu hæðir 10.-15.hæð. Fyrir 3.-9.hæð er engin dæla en þar eru áhrifin meiri. Í riti frá Danfoss er dæmi um svona fyrirkomulag. Danfoss mælir með að í stað venjulegra loka verði settir PICV-mótorlokar. Með því að skipta út eldri mótorlokum fyrir blöndun og setja PICV – mótorloka fæst það að PICV – lokinn jafnar þrýstingin og tryggir að rennsli sé stöðugt og það fari ekki yfir hámarskrennsli. .

Það er nauðsynlegt að jafnvægisstilla seinni dælurásina. Það er góður jöfnuður með fyrstu dælu og PICV blöndunarloka. Það er gert með þcí að mæla rennslið með því að nota hraðastýringuna á dælu. Einnig þarf að stýradælu eftir mismuna þrýsting upp við10.hæð.

Nokkrir kæliraftar tengdir saman við sameinlegan DP-loka (DPCV) og jafnvægisstilling kælirafta

Á sama hátt og fyrir ofna, eru nokkrir kæliraftar tengdir saman við einn DP-stjórnloka. Þetta er gert fyrir alla kælirafta og allar hæðir. Það er nayðsynlegt að reikna þrýstifallið í strengnum til þess að ákveða stilligildi DP-lokans.

Á hverjum kælirafti er mótorloki 0-10V og stilling með forstillingu og sjónglas.

Afköst hvers kæliraft er um 1000W. Rennsli er 0,05l/s og DT=5°C. Loftmagn að kælirafti er 30l/s. Fjöldi kælirafta á hæð eru um það bil 40stk. fyrir 10.- 14.hæð og færri á 15.hæð. Hitastillir tengir mótorlokann á kælirafti saman við mótorlokann á ofni sem tryggir að ofnloki byrjar ekki að vinna fyrr en kæliloki er lokaður. Myndin hér að framan er frá Danfoss. Þeir legggja þessa uppsetningu til með klassinskum stgrenglokum (MBV).

Hússtjórnarkerfi

Allir nemar til stýringa eða mælinga eru tengdir við hússtjórnarkerfi