Energy efficiency in a waterborne climate system : The dependence of free cooling due to water temperature supplied to chilled beams and dimensions of main components

I takt med en växande befolkningsmängd, högre levnadsstandard och ökad energianvändning, har förbränning av fossila bränslen ökat vilket bidragit till en förstärkt växthuseffekt. I Kyotoavtalet enades många länder om att reglera utsläpp av koldioxid och Europeiska unionen har satt upp mål om att minska energianvändning. Energimyndigheten benämner att energiresurserna bör utnyttjas effektivt för att ställa om till ett långsiktigt hållbart energisystem. På senare tid har behovet av komfortkyla också ökat, främst i lokaler som har ett stort tillskott av internvärme. Samtidigt ställer Boverket allt högre krav på energihushållning i lokaler. Vattenburna komfortkylsystem har blivit allt vanligare, där kyleffekten idag regleras med flödesvariation på köldbärarvattnet medan en konstant framledningstemperatur på 14 ˚C föreligger. Kylmaskinen står för ca 10 – 30 % av en kontorsbyggnads totala elanvändning. Ett sätt att minimera energianvändning är att utnyttja frikyla, från omgivande naturresurser där lägre temperaturer förekommer. Syftet med studien var att undersöka hur energieffektivisering av ett vattenburet komfortkylsystem kunde se ut genom att utnyttja mer frikyla. Målet formulerades genom att beräkna energianvändning för dagens standardsystem och jämföra med elbehov från alternativa systemutformningar och driftstrategier. Det huvudsakliga konceptet bestod av att låta framledningstemperaturen på vattnet i kylbaffelkretsen variera. För att ytterligare optimera systemet utformades delmål om att studera vilken betydelse de centrala komponenternas dimensioner och reglerfunktioner hade för energianvändningen. Dessutom skulle möjlighet till frikyla jämföras för olika typer av kylkaraktäristik. Först studerades uppbyggnad och reglering av ett verkligt vattenburet komfortkylsystem, varav en teoretisk bild av systemet formades och en beräkningsmodell byggdes in i Simulink. Indata hämtades delvis från simulerings- och beräkningsprogrammen ESBO, AIACalc och ProSelect. Vissa indata dimensionerades fram manuellt. För ett sydplacerat rum, för en person, vars årliga kylenergibehov var 66 kWh/m2, kunde energianvändningen genom helhetsoptimering sänkas med 83 %. Det gavs av att överdimensionera komponenter, men det fanns också möjligheter att åstadkomma en rejäl besparing utan att behöva genomföra några större investeringar. Att låta framledningstemperaturen variera kunde sänka energianvändningen med 24 %. Genom att reglera kyltornsfläktens drifttid till enbart nattetid, samt möjlighet till dygnslagring reducerade energianvändningen med 19 %. Slutsatsen var att det fanns en energibesparingspotential för ett vattenburet komfortkylsystem av ovan beskrivna optimeringar. Den bästa optimeringen gavs av att överdimensionera ackumulatortanken, kyltornet och den interna frikylsvärmeväxlaren. Ackumulatortanken påvisade sig ha den största möjligheten att tillgodogöra sig frikyla. Dessutom visade det sig att den typ av kylkaraktäristik där kylbehovet var jämnt fördelat över året, enklare kunde tillgodogöra sig av frikyla. En känslighetsanalys påvisade att kylmaskinens COP hade en märkbar betydelse för systemets energianvändning, i studien antogs den som konstant fyra.As a result of a growing population, a higher standard of living and an increase in energy usage, combustion of fossil fuel has been growing and has contributed to the greenhouse effect. According to the Kyoto Protocol the involved countries decided to reduce emissions of carbon dioxide and one of the goals of the European Union is to reduce energy use. The Swedish Energy Agency (Energimyndigheten) emphasizes that the energy resources must be used more effectively to make our societies sustainable in long-term. The use of comfort cooling is growing rapidly, especially in buildings that have a large amount of internal heat. Simultaneously there are stricter requirements for energy conservation by Boverket. Waterborne climate systems have been more common recently, where the cooling power is regulated by variation of the water flow, while the water temperature supplied to the chilled beams remains constant at 14 °C. 10 – 30 % of one office building´s total electricity consumption is due to the cooling machine. One solution to minimize the energy consumption in an office building is to use free cooling from natural resources nearby, where lower temperatures occur. The purpose of the study was to investigate whether the energy usage in a waterborne climate system could be more efficient, by using a larger amount of free cooling. The goal was formulated by calculating the energy consumption from the current waterborne climate system and by comparing the results with the energy usage when introducing alternative system designs and operation strategies. The main goal was to study the energy usage in a system where the temperature of water supplied to the chilled beams could vary. Further optimization was made to investigate how the main components of the system would affect the energy usage, by varying the dimensions and the operation modes. Also, a study was made regarding the possibility to use free cooling with respect to different cooling demands. First, a current waterborne climate system was studied. With the information needed a theoretical model was built in Simulink. Some preconditions have been calculated by other programs such as ESBO, AIACalc and ProSelect. Some calculations were also made manually. The results showed that for a room located to the south of a building, for one person, with an annual demand for the cooling capacity of 66 kWh/m2, the energy consumption could decrease with 83 % by an optimization of the total system. This was made by oversizing the main components, but there were also possibilities to reduce the energy usage with lower-cost methods. By letting the water temperature supplied to the chilled beams vary, the energy consumption decreased with 24 %. By regulating the fan of the cooling tower to only work at night and having a tank which could store one day´s worth of energy, the energy consumption decreased with 19 %. As a conclusion, these optimizations have potential to save energy. The entire system could be optimized by oversizing the storage tank, the cooling tower and the internal free cooling heat exchanger. The storage tank was the component that had the largest potential to take advantage of free cooling. Furthermore, if the need of cooling power was more consistent throughout the year it was easier to utilize free cooling. A sensitive analysis showed that the COP of the cooling machine was significance for the results of the energy consumption of the system, in this thesis it remained constant at four