Energy flow and thermal comfort in buildings: Comparison of radiant and air-based heating & cooling systems

Varme- og køleanlæg kan inddeles i to hovedkategorier: konvektive systemer (fx. aircondition, aktiv kølebaffel, fan-coils) og stråle køling/varme systemer. De to systemer har forskellige former for varmeoverførsel; den første er hovedsageligt baseret på konvektion, mens den anden er baseret på både stråling og konvektion. Strålevarmesystemer har den fordel at kunne gøre brug af lav kilder (dvs. opvarmning ved lave temperature og køling ved høje temperaturer) og dermed reducere bygningers primære energiforbrug. Der er imidlertid en mangel på viden om varmeoverførsel fra terminalen mod rummet og på de parametre, der påvirker anlæggenes ydelse. Derfor er der foretaget en sammenligning af komfortbetingelserne og energiforbruget for fire typer anlæg (aktiv kølebaflen, strålende gulv, væg og loft) for et typisk kontorlokale, både numerisk og eksperimentelt.

Fra den stationære numerisk analyse og fuldskalaforsøgene er det observeret, at forskellen mellem de to typer anlæg primært skyldes ændringer ventilationstab. Ved lave ventilationstilskud (under 0,5 ACH), har stråle- og luftbaserede systemer samme energibehov. Ved højere ventilationstilskud er strålevarmesystemers energiforbrug lavere end de luftbaserede systemers på grund af den højere lufttemperatur. Ved 2 ACH kan en strålevægs energibesparelser vurderes til ca. 10 % sammenlignet med den aktive kølebaflen (med hensyn til leveret energi). Asymmetrien mellem luft og strålingstemperatur, lufttemperaturgradienten og den mulige kortslutning mellem indløb og udløb spiller en lige så vigtig rolle ved reduceringen af strålevæggens kølebehov sammenlignet med den aktive kølebaflen. Jo højere et luftskifte og jo højere, jo større er de opnåede besparelser med en strålekølesystem. Derfor har strålekølesystemet et stort potentiale for energibesparelser i bygninger med et højt ventilationskifte (fx butikker, togstation, industriel opbevaring ). Blandt strålesystemer er der kun observeret små forskelle i den påtænkte geometri. Kun hvis beboerne antages at sidde ned, kan den store vinkelforhold med gulvet føre til en reduktion af energibehovet for gulvkølesystemer.

Disse konklusioner gælder for fler-etagers eller højisolerede bygninger (R > 5 m2.K/W). Når det drejer sig om en enetagers bygning med et lavt isoleringsniveau, er strålesystemers effektivitet lavere på grund af de større klimaskærmstab, og et luftbaseret system kan være mere energieffektivt end et stråleanlæg (med hensyn til leveret energi).

Et tilsvarende globalt komfort niveau er blevet observeret for stråle- og luftbaserede systemer i både numeriske og eksperimentelle undersøgelser, men de forskellige anlæg opnåede ikke den samme ensartethed i rummet. Den aktive kølebaflen opnår teoretisk de mest ensartede komfortbetingelser (når der ses bort fra risikoen for træk) efterfulgt af kølelofter. De mindst ensartede betingelser blev opnået med det afkølede gulv, på grund af store forskelle mellem siddende og stående stilling. Lokale komfortbetingelser (strålingstemperaturasymetrien, lufttemperaturgradient, risiko for træk) er også blevet evalueret både teoretisk og numerisk, og der er ikke observeret ubehag ved normal kølekapacitet.

Udover denne sammenlignende undersøgelse af forskellige anlæg, er sammenhængen mellem kølesystemer og interne konvektionsstrømme også blevet undersøgt eksperimentelt. Sammenligningen med eksisterende modeller påpegede specificiteten af eksisterende sammenhænge og begrænsningen i deres anvendelsesområder. På grund af forskelle i indblæsning stråle, har eksisterende korrelationer en tendens til at overvurdere konvektionsstrømningen, især ved loftet. To fremgangsmåder er således blevet testet for bedre at kunne forklare strømingsformer i definitionen af konvektion koefficienter. Ved den første fremgangsmåde blev lokale værdier af lufthastigheden anvendt til at evaluere konvektion ved loftet. En alternativ fremgangsmåde består i at inkludere et modificeret Archimedes tal i definitionen af konvektion koefficienter. Begge fremgangsmåder forbedrede modelleringen af konvektion koefficienter med en afvigelse på ± 15-17% . Før implementeringen af disse sammenhænge i BES-værktøjer er der er behov for yderligere valideringer for andre typer og placeringer af indløb og andre rum geometrier.