4. Radiaattoriverkoston säätöön ja kytkentään liittyvät ratkaisut
4.1 Menoveden lämpötilan ulkolämpötilakompensointi
4.1.4 Menetelmän testaus simuloimalla
Menetelmää testattiin simuloimalla TRNSYS-simulointiohjelmalla. Simuloitu jakso on neljä kuukautta vuoden alusta. Käytössä oli Helsingin säätiedot. Sumea malli muodos-tettiin Matlabin Fuzzy Toolboxilla, joka kytkettiin TRNSYS-ohjelmaan.
Lähtöarvot
Simuloituna kohteena oli tyypillinen kerrostaloasunto, jonka jokainen tila kuvattiin omana vyöhykkeenään. Rakennuksen vaippa, sisäiset kuormat ja muut lähtöarvot on dokumentoitu liitteessä A.
Lämmitysjärjestelmään kuuluvat vesikiertoiset patterit, mutta ei termostaattisia patteri-venttiileitä. Virtaama kullakin patterilla pysyy siis vakiona. Simuloinnit suoritettiin il-man termostaattisia patteriventtiileitä, koska tällainen järjestelmä on vaikeampi säätää.
Mikäli huonelämpötilat saadaan pysymään asetusarvossaan ilman termostaattiventtii-leitä, siihen pystytään myös termostaattiventtiileillä varustetulla järjestelmällä.
Lämmönjakokeskusta ei ole mallinnettu, vaan on oletettu, että lämmönsiirrin pystyy jatkuvasti lämmittämään veden halutun lämpöiseksi. Putkistojen lämpöhäviöitä ei ole huomioitu.
Taulukossa 11 esitetään muita lämmitysjärjestelmäsimulointien lähtöarvoja.
Taulukko 11. Vesipattereiden mitoitus ja muita simulointien lähtöarvoja.
mitoitusulkolämpötila -26 °C
mitoitushuonelämpötila 20 °C
menoveden lämpötila mitoitustilanteessa 70 °C paluuveden lämpötila mitoitustilanteessa 40 °C ylilämpötila mitoitustilanteessa 35 °C
lämmönluovutuseksponentti 1,3
pattereiden materiaali teräs
lämmönluovutuksesta säteilyä/konvektiota 80 % / 20 %
Tulokset
Taulukossa 12 esitetään kahdeksan simulointilaskelman tulokset. Simulointilaskelmia on tehty neljällä eri kompensointikäyrän asennolla. Kaikilla neljällä kompensointikäy-rällä on laskettu kaksi tapausta, joista toisessa kompensointikäyrä pysyy vakiona ja toi-sessa sitä muokataan laskennan aikana.
Kompensointikäyrän muokkaamisessa tarvitaan tietoa huonelämpötilasta. Näissä las-kelmissa on oletettu, että huoneiston kaikkien huoneiden lämpötila mitataan ja huone-lämpötilana käytetään keskimääräistä huonelämpötilaa.
Taulukko 12. Keskimääräinen huonelämpötila ja keskimääräinen poikkeama asetusar-vosta (21°C) eri tapauksissa. Neljän kuukauden simulointijakso: tammikuu–huhtikuu.
automaattinen
Tapauksissa 1a ja 2a kompensointikäyrä on liian korkealla, koska keskimääräinen huo-nelämpötila on yli 23 °C. Tapauksissa 1b ja 2 b kompensointikäyrä on muuttunut las-kennan aikana edulliseen suuntaan. Keskimääräinen huonelämpötila poikkeaa vain vä-hän asetusarvosta.
Tapauksessa 3a kompensointikäyrä on liian alhaalla, mutta tapauksessa 3b keskimääräi-nen huonelämpötila on lähellä asetusarvoa.
Tapauksessa 4a kompensointikäyrä on hyvässä asennossa. Tulokset ovat yhtä hyviä myös tapauksessa 4b.
Kun kompensointikäyrää muokataan automaattisesti (tapaukset b), keskimääräinen poikkeama asetusarvosta on tapauksen mukaan 0,50–0,74 °C. Kompensointikäyrä löy-detään siis hyvin kaikissa tapauksissa.
On huomattava, että tarkalleen asetusarvossa pysyminen ei ole mahdollista sisäisten kuormien vuoksi, koska järjestelmään ei kuulu jäähdytystä.
Kuvissa 38–39 esitetään keskimääräinen huonelämpötila ajan funktiona ja ulkolämpö-tilan funktiona kahdessa tapauksessa.
Kuva 38. Huonelämpötilojen keskiarvo ajan funktiona tapauksessa 1a (vasemmalla) ja tapauksessa 1b.
Kuva 39. Huonelämpötilojen keskiarvo ulkolämpötilan funktiona tapauksessa 1a (va-semmalla) ja tapauksessa 1b.
Lisätarkastelu 1: sumean päättelijän korvaaminen yhtälöllä
Edellä olevissa laskelmissa menoveden lämpötilan muutos laskettiin sumealla päätteli-jällä. Vertailun vuoksi laskettiin kaksi tapausta, jossa sumea päättelijä korvattiin seuraa-valla yhtälöllä.
∆Tm = a (Th,asetus-Th) (1)
jossa
∆Tm muutos menoveden lämpötilassa, Th huonelämpötila,
Th, asetus huonelämpötilan asetusarvo,
a = 2,5.
Ilman sumeaa päättelijää lasketut tapaukset vastaavat lähtöarvoiltaan tapauksia 1b ja 2b.
Tulokset ovat taulukossa 13.
Taulukko 13. Keskimääräinen huonelämpötila ja keskimääräinen poikkeama asetusar-vosta (21°C) käytettäessä sumeaa päättelijää ja kun se on korvattu yhtälöllä. Neljän kuukauden simulointijakso: tammikuu–huhtikuu.
menoveden lämpötila ulkolämpötilassa -30°C (laskennan
alussa) (°C)
sumea päättelijä 70 35 21,4 0,50
yhtälö 1 " " 21,2 0,47
sumea päättelijä 60 40 21,2 0,74
yhtälö 1 " " 21,2 0,60
Tulokset ovat yhtä hyviä, jopa hieman parempia ilman sumeaa päättelijää, joten sumeaa päättelijää ei tarvita kompensointikäyrän muodostamisessa.
Lisätarkastelu 2: huonelämpötilamittauksen korvaaminen lämmitysverkoston paluuve-den lämpötilamittauksella
Edellä olevissa laskelmissa huonelämpötilan arvona on käytetty huonelämpötilojen kes-kimääräistä lämpötilaa. Todellisuudessa tällaista arvoa ei ole käytettävissä, koska mo-nien huonelämpötilojen mittaaminen ei ole toteutettavissa helposti ja vähin kustannuksin.
Vastaavaan tulokseen voitaisiin päästä mittaamalla vain yhden huoneen lämpötila. Huo-ne tulisi valita siten, että tämän huoHuo-neen lämpötila edustaisi mahdollisimman hyvin ra-kennuksen eri huonelämpötiloja. Käytännössä tällaisen huoneen löytäminen voi olla vaikeaa. Varmaankin monissa rakennuksen huoneissa huonelämpötila on melko lähellä keskiarvoa, mutta onko se sitä koko ajan? Jos koko rakennuksen menoveden lämpötila riippuu yhden huoneen lämpötilasta, mitä tapahtuu, kun ikkuna avataan kyseisessä huo-neessa? Kompensointikäyrän muokkaaminen vaatii sitä, että huonelämpötila poikkeaa samaan suuntaan asetusarvosta sekä iltayöstä että aamuyöstä (kuva 37), joten ikkunan avaaminen ei välttämättä vaikuta kompensointikäyrään. Olisi kuitenkin suotavaa, että huonelämpötilana käytettäisiin vähintään muutaman huoneen keskiarvoa.
Työssä tarkasteltiin myös, olisiko paluuveden lämpötilasta pääteltävissä huonelämpöti-loja. Huonelämpötilan noustessa paluuveden lämpötilan pitäisi nousta. Paluuveden läm-pötilan mittaus on helposti toteutettavissa lämmönjakokeskuksessa. Mittausta puoltaa myös se, että lämpötila kertoo verkoston tilasta, esimerkiksi liian suuresta virtaamasta, jolla on vaikutusta energiankulutukseen.
Kuvat 40–43 havainnollistavat menoveden lämpötilan, paluuveden lämpötilan ja huo-neilman lämpötilan riippuvuutta toisistaan. Kuvat on piirretty simulointituloksista.
20 30 40 50 60 70 80
-40 -30 -20 -10 0 10 20
ulkolämpötila (oC) lämpötila (o C)
menovesi paluuvesi
Kuva 40. Menoveden ja paluuveden lämpötilan suhde ulkolämpötilaan.
20 25 30 35 40 45
19 20 21 22 23 24 25
huonelampotila (oC) paluuveden lampotila (o C)
Kuva 41. Huonelämpötilan (keskimääräisen) ja paluuveden lämpötilan suhde.
Kuvista havaitaan, että paluuveden lämpötilan ja ulkolämpötilan korrelaatio on selkeä.
Vastaavaa korrelaatiota ei ole löydettävissä paluuveden lämpötilan ja huonelämpötilan väliltä. Koska ulkolämpötila (tai paremminkin menoveden lämpötila) vaikuttaa paluu-veden lämpötilaan enemmän kuin huonelämpötila, on piirretty kuva ulkolämpötilan ja paluuveden lämpötilan suhteesta eri huonelämpötiloilla.
25 27 29 31 33 35 37 39
-40 -30 -20 -10 0 10 20
ulkolämpötila (oC) paluuveden lämpötila (o C)
> 21oC
< 21oC
Kuva 42. Paluuveden lämpötila ulkolämpötilan ja huonelämpötilan mukaan.
Kuvasta 42 havaitaan, että yli 21 °C:n huonelämpötiloilla paluuveden lämpötila on hie-man korkeampi kuin alle 21 °C:n huonelämpötiloilla. Kuva 43 havainnollistaa lämpöti-lojen suhdetta.
20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0
18.00 20.00 22.00 24.00
huonelämpötila (oC)
paluuveden lämpötila (o C) 70
60 50 40 30 Tmenov esi
Kuva 43. Menoveden lämpötilan, paluuveden lämpötilan ja huonelämpötilan suhde.
Kuvan 43 perusteella muodostettiin yhtälö, jonka avulla arvioidaan huonelämpötila me-noveden lämpötilasta ja paluuveden lämpötilasta. Tätä yhtälöä käytettiin kompensointi-käyrän muodostamisessa ja sillä korvattiin huonelämpötilojen mittaus. Tulokset simu-loinneista esitetään taulukossa 14.
Taulukko 14. Keskimääräinen huonelämpötila ja keskimääräinen poikkeama asetusar-vosta (21 °C), kun kompensointikäyrän muodostamisessa käytetään hyväksi huoneläm-pötilojen keskiarvoja ja kun se korvataan paluuveden lämpötilalla. Neljän kuukauden simulointijakso: tammikuu – huhtikuu.
keskiarvo 70 35 21,4 0,50
paluuveden läm-pötila
" " 21,4 0,62
huonelämpötilojen
keskiarvo 60 40 21,2 0,74
paluuveden
läm-pötila " " 21,4 0,76
huonelämpötilojen keskiarvo
60 25 20,9 0,57
paluuveden
läm-pötila " " 20,9 0,61
huonelämpötilojen
keskiarvo 70 25 21,2 0,54
paluuveden
läm-pötila " " 21,3 0,58
Taulukosta havaitaan, että huonelämpötilojen poikkeama asetusarvosta on suurempi niissä tapauksissa, joissa huonelämpötilojen mittaus korvataan paluuveden lämpötilojen mittauksella. Erot eivät ole kuitenkaan suuria. Paluuveden lämpötilan mittauksella saa-dut tulokset ovat tyydyttäviä.
Tuloksia tarkastellessa havaittiin, että paluuveden lämpötilasta pystyttiin arvioimaan keskimääräinen huonelämpötila melko tarkasti. Keskimääräinen virhe oli noin 0,35 °C.
Suurimmillaan virhe oli menoveden lämpötilan porrasmaisten muutosten jälkeen. Tämä johtuu siitä, että paluuveden lämpötilan arvioinnissa käytetty kaava ei ota huomioon lämmön varastoitumista pattereissa, vaan laskee jatkuvuustilan lämpötiloja.
Tarkkuus riippuu todellisuudessa myös pattereiden mitoituksista. Mikäli pattereiden mitoitus on epätarkka, jolloin tarvittava jäähtymä vaihtelee eri huoneissa, heikkenevät mahdollisuudet arvioida keskimääräistä huonelämpötilaa paluuveden lämpötilasta.