Air heating system in a Finnish apartment building
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2018-12-10
Department
Major/Subject
HVAC Technology
Mcode
ENG21
Degree programme
Master's Programme in Energy Technology (EEN)
Language
en
Pages
75
Series
Abstract
An update to the Energy performance of buildings directive by the European Commission emphasizes the importance of adequately heated and ventilated dwellings while using energy efficiently in the building. The share of occupant and equipment heat loads is increasing in proportion to needed heat by the heating system, which requires better utilization of the heat loads. The experience from passive houses show that air heating system can be a simple, cost efficient option for accurate room temperature control. Apartment buildings have had larger heat demands and therefore most popular systems for distributing heat to apartments are hydronic heating systems. Now that new apartment buildings have better insulation and air tightness, lower heat demands enable air heating system as a possible primary heating system. This study aims to provide further knowledge on an air heating system in an apartment building. The design requirements, benefits and limitations of the air heating system are studied based on literature, a case study simulation and a life-cycle cost comparison. The other of the case study buildings has air heating system and the other has conventional hydronic radiator system. The simulated energy consumption is compared to the measured energy consumption to find out energy efficiency of the air heating system. The differences in the energy performance was further analyzed with IDA-ICE simulation.Based on the simulation, building with air heating system had low enough heat demand to deliver sufficient heat to the apartments with conventional air flow rates. The air heating system was designed with similar AHUs as the building with hydronic radiators but with slightly larger duct size and additional supply ATDs. Therefore, the air heating system had better ability to boost apartment air flow rates and control rising indoor temperatures in summer by night ventilation, which improved thermal comfort. Based on the simulation, the measured energy consumption difference between the case buildings was partly due to the difference in insulation level but the air heating system showed more energy efficient even when the insulation factor was ruled out. Though, the E-value comparison showed that direct electricity as in the case air heating building is not a feasible option for a new apartment building. The air heating system had smaller investment and maintenance cost but the radiator system with district heat had smaller LCC. Further LCC comparison for air heating systems operating with GSHP, A2WHP and DH showed more cost efficient than the conventional radiator system. The difference in investment cost was small but replacing the electric supply air heating in radiator system with other heat sources saved energy costs in air heating systems.Päivitetty Euroopan komission Energy Performance of Buildings Directive painottaa tarkoituksenmukaisen lämmityksen ja ilmanvaihdon tärkeyttä energiatehokkaissa rakennuksissa. Rakennusten sisäisten lämpökuormien osuus kasvaa suhteessa tarvittavaan lämmitykseen lämmitysjärjestelmästä. Tämä edellyttää lämpökuormien tehokkaampaa hyödyntämistä. Passiivitaloista saatu kokemus osoittaa, että ilmalämmitysjärjestelmä voi olla yksinkertainen ja kustannustehokas vaihtoehto tarkkaan huonelämpötilan hallintaan. Asuinrakennuksissa on ollut aiemmin suurempi lämmöntarve ja siksi suurin osa lämmitysjärjestelmistä ovat vesikiertoisia järjestelmiä. Nykyään uusien asuinrakennusten paremman eristystason ja ilmatiiveyden vuoksi lämmöntarve on pienempi, mikä mahdollistaa ilmalämmitysjärjestelmän käytön. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tuoda lisätietoa ilmalämmitysjärjestelmästä asuinkerrostalossa. Ilmalämmitysjärjestelmän suunnitteluvaatimuksia, hyötyjä ja rajoitteita tutkitaan kirjallisuuden, tapaustutkimuksen simulaation ja elinkaarikustannusten vertailun avulla. Toinen tapaustutkimuksen kohderakennuksista on varustettu ilmalämmitysjärjestelmällä ja toinen vesikiertoisella patterilämmityksellä. Simuloitua energiankulutusta verrataan mitattuun energiankulutukseen, jotta ilmalämmitysjärjestelmän energiatehokkuus voidaan osoittaa käytännössä. Eroja energiatehokkuudessa tutkittiin tarkemmin IDA-ICE simulaatiolla. Simulaation perusteella ilmalämmitysjärjestelmällä varustetussa rakennuksessa lämmöntarve oli riittävän pieni, jotta ilmalämmitys voitiin toteuttaa tavanomaisilla ilmanvaihtomäärillä. Ilmalämmitysjärjestelmässä oli samankaltaiset ilmanvaihtokoneet kuin vesikiertoisessa patterijärjestelmässä, mutta hieman suuremmilla kanavako’oilla ja täydentävillä tuloilmaventtiileillä. Ilmalämmitysjärjestelmällä oli mahdollisuus tehostaa asuntokohtaisia ilmavirtoja patterijärjestelmää enemmän, mikä auttoi hallitsemaan korkeita sisälämpötiloja kesällä yötuuletuksella parantaen lämpöviihtyvyyttä. Simulaation perusteella, mitattu energiankulutusero kohderakennusten välillä johtui osittain erosta lämmöneristystasossa, mutta ilmalämmitysjärjestelmä osoittautui energiatehokkaammaksi myös silloin kun eristyksen vaikutus suljettiin pois. Kuitenkin, kohderakennusten E-lukuja verrattaessa ilmalämmitysjärjestelmän suora sähkölämmitys osoittautui vaikeaksi toteuttaa uudessa asuinkerrostalossa. Ilmalämmitysjärjestelmällä oli pienempi investointi- ja huoltokustannus, mutta kaukolämmöllä toteutetulla patterijärjestelmällä oli pienempi elinkaarikustannus. Elinkaarikustannusvertailua laajennettiin ilmalämmitysjärjestelmiin, jotka hyödyntävät maalämpöpumppua, ilma-vesilämpöpumppua ja kaukolämpöä. Ilmalämmitysjärjestelmät, jotka hyödyntävät lämpöpumppua tai kaukolämpöä osoittautuivat elinkaarikustannuksiltaan patterijärjestelmää halvemmiksi. Ero investointikustannuksissa oli pieni, mutta energiakustannuksissa kyseisillä ilmalämmitysjärjestelmillä voitiin säästää korvaamalla patterijärjestelmässä käytetty tuloilman sähkölämmitys muilla lämmönlähteillä.Description
Supervisor
Kosonen, RistoThesis advisor
Lehtiö, RikuKeywords
air heating system, apartment building, energy simulation, LCC