Energy Efficiency of Ventilation System in a School : Demand-Controlled Ventilation for a Building in Karlstad

I Sverige står bostads-och servicesektorn för nästan 40 % av den totala energianvändningen och därför har många byggnader behov av energieffektivisering. Arbetet utgår från Eken, en del av Karlbergsskolan i centrala Karlstad, som är en kulturmärkt byggnad från 1890-talet. I byggnaden pågår gymnasieutbildning, förskola samt idrottsverksamhet i en gymnastiksal. Byggnaden ventileras i dagsläget med konstant luftflödessystem (CAV). Behovsstyrd ventilation (DCV) innebär att reglera ventilationen efter närvaro och behov, genom att upprätthålla en bra luftkvalité och termisk komfort och samtidigt effektivisera energiförbrukningen. Syftet med detta arbete var att undersöka hur behovsstyrning med IR-sensorer eller CO2-sensorer kan påverka energiförbrukningen och driftkostnader av Ekens ventilationssystem, samt undersöka hur innetemperaturen påverkas vid CO2-reglering jämfört med befintligt driftfall. Målet var att beräkna årliga energibesparingar (MWh/år) och investeringsutrymme (kr) till utgifter som uppkommer vid ombyggnation av dagens CAV-system. Ett ytterligare mål var att beräkna innetemperatur vid olika fall då förutsättningar som rumsplacering, solinstrålning, utetemperatur och intern personbelastning varieras och beroende på CO2-reglerat eller konstant luftflöde. Energibesparingar avseende energi till fläktar och värmebatterier, beräknades i Excel baserat på olika luftflöden beroende på personbelastning. Investeringsutrymmet beräknades utifrån årliga besparingar av driftkostnader. Innetemperaturer beräknades i en dynamisk simuleringsmodell för tre dygn och tre rum med olika förutsättningar. Energibesparingar för IR- och CO2-reglering av ventilationssystemet resulterade i 53 MWh/år (-44 %) respektive 77 MWh/år (-64 %) jämfört med befintligt CAV-system. Efter 15 år bidrog IR- och CO2-reglering till besparingar på ca 520 kkr (IR) respektive 750 kkr (CO2). Skillnaden på innetemperaturen vid behovsstyrt flöde jämfört med konstant luftflöde var lägre än en grad i majoriteten av fallen. Den största skillnaden på 2,7 °C uppstod en solig dag för ett rum med fönster mot sydost. Behovsstyrning är uppenbart fördelaktigt för byggnaden ur energi- och miljöperspektiv. Investeringskostnaden för de två olika metoderna är troligtvis ungefär lika stora och hur ekonomiskt lönsam investeringen är beror på återbetalningstiden. Luftflödesreglering leder inte till några större problem för rumstemperaturen och i annat fall borde temperaturproblem kunna åtgärdas genom solavskärmning eller temporärt ökat ventilationsflöde.In Sweden, the housing and services sector accounts for close to 40 % of the total energy use, hence why many buildings require energy efficiency. This study is based on the Eken building, which is a historical building from the 1890s, a part of Karlbergsskolan in central Karlstad. The building operates with a secondary education, preschool and a gymnasium. It is currently ventilated by a constant air volume-system (CAV). Demand controlled ventilation (DCV) involves controlling the ventilation according to occupancy and requirement, by maintaining acceptable indoor air quality and thermal comfort, while simultaneously decreasing the energy consumption. The purpose of this study was to investigate how demand-controlled ventilation can improve energy efficiency and operating costs of the ventilation system in Eken, using either IR- or CO2-sensors, as well as investigating how indoor temperature is affected by reduced air flow due to CO2-controlled ventilation. The goal was to calculate the annual energy savings (MWh/year) and anticipate the investment range (SEK) for expenses incurred in rebuilding the current CAV-system. An additional goal was to calculate indoor temperature due to CO2-controlled airflow or constant airflow (CAV) under different circumstances. We did this by varying conditions such as location, solar radiation, outdoor temperature and occupancy. Energy savings for fans and heaters were calculated in Excel, based on different airflows depending on occupancy. The investment range was calculated on the basis of annual savings of operating costs. Indoor temperatures were calculated with a dynamic simulation model for three days, in three rooms, with different conditions. Energy savings for an IR- or CO2-controlled ventilation system resulted in 53 MWh/year (- 44 %) and 77 MWh/year (-64 %) respectively compared to consisting CAV-system. After 15 years, IR- and CO2-regulation contributed to savings of about 520 kkr (IR) and 750 kkr (CO2). The difference of indoor temperature during the demand-controlled flow rate in comparison to constant airflow, was less than one degree in the majority of cases. The biggest difference of 2,7 °C occurred on a sunny day in a room with windows facing southeast. Demand-controlled ventilation is clearly beneficial from an energy- and environmental perspective. The investment cost of the two different methods is probably about the same range and the economic profit depends on the payback period. Airflow regulation does not lead to any major temperature problems, however if there are any problems they may be addressed by solar shielding or temporarily increased air flow rate