Regeneratív hővisszanyerő hatásfokának, valamint hő-és nedvességátviteli tulajdonságainak vizsgálata alacsony külső léghőmérsékletek esetén
Title in English
Investigation of effectiveness, heat and moisture transfer characteristic of regenerative energy recovery under low ambient air temperature
Keywords in Hungarian
hővisszanyerő, hatásfok, eneriamegtakarítás
Keywords in English
energy recovery, effectiveness, energy saved
Discipline
Power Engineering (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Building ventilation systems
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Building Service Engineering and Process Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2015-09-01
Closing date
2018-08-31
Funding (in million HUF)
28.458
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Célom egy mérőállás létrehozása az alábbi feladatok elvégzésével:
1. A hővisszanyerő hatásfokának hőmérsékletek és páratartalom értékek mérésével történő meghatározása, és a gyártói katalógusban adott hőmérséklet és nedvességtartam mellett szereplő hatásfok értékének ellenőrzése. A felhasznált érzékelőkkel végzett mérések ugyanis eltérő hőmérséklet és páratartalom értékeket mérhetnek a gyártói mérés során kapott eredményekkel szemben az érzékelők fajtájának különbözőségéből, pontatlanságából adódóan.
2. A hatásfok méréses vizsgálata különböző külső levegő hőmérséklet és nedvességtartam szintek mellett, 0 °C feletti hőmérséklet tartományban, állandósult állapotban.
3. A hővisszanyerő hatásfokának kísérleti módon történő vizsgálata, különböző külső levegő hőmérséklet és nedvességtartalom szintek mellett, 0 °C alatti hőmérséklet tartományban, állandósult állapotban, a fagyás jelenségének figyelembevételével.
4. A hővisszanyerő hatásfokának kísérleti módon történő tranziens vizsgálata.
5. A hővisszanyerő hő- és nedvességátviteli tulajdonságainak különböző szellőző levegő térfogatáramok melletti vizsgálata.
6. A hővisszanyerő hő- és nedvességátviteli tulajdonságainak különböző forgódob rotációs sebesség melletti vizsgálata.
7. A mért eredmények felhasználásával szellőztető rendszerek energetikai vizsgálata különböző rendeltetésű épületek (irodaház, családi ház, középület, ipari csarnok…stb.) energiafelhasználásának vizsgálatához, analitikai módszer mellett TRNSYS 17 szimulációs szoftver alkalmazásával is.
8. Az eredmények magas impakt faktorú folyóiratokban és rangos nemzetközi és hazai konferenciákon történő publikálása.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kifejlesztett mérőállás lehetővé teszi a forgódobos hővisszanyerő hatásfokának, hőátviteli és nedvességátviteli tulajdonságainak alacsony léghőmérséklet melletti vizsgálatát. Az eredmények várhatóan azt mutatják, hogy a külső levegő hőmérsékletének csökkentésével a hővisszanyerő hatásfoka csökken, a hő- és nedvességátviteli tulajdonságai romlanak. A mérés során az ipar számára is rendkívül hasznos pontos összefüggést kapunk a külső léghőmérséklet-hatásfok függvényére, mely tervezői adathalmazként szolgálhat a gyakorlatban dolgozó épületgépész tervező mérnökök, szakértők számára is. Fagyhatár alatti mérések során pontos képet kaphatunk arról, hogy a fagyás jelensége hogyan befolyásolja a hővisszanyerő hatásfokát és a benne lejátszódó hő- és nedvességátviteli folyamatot. A vizsgálat eredményéből láthatóvá válik (0 °C alatti mérés esetén) a külső léghőmérséklet azon értéke, amely mellett még üzemelni képes a hővisszanyerő, valamint az is, hogy adott külső levegő hőmérsékletek mellett hogyan befolyásolja a szellőző levegő térfogatáramának változása a hővisszanyerő hatásfokát, hő- és nedvességátviteli folyamatait. A kutatómunka során célom megvizsgálni, hogy az adott külső levegő hőmérsékletek mellett hogyan befolyásolja a forgódob rotációs sebességének változása a hővisszanyerő hatásfokát, hő- és nedvességátviteli folyamatait. A mért adatok felhasználásával a TRNSYS 17 szimulációs szoftver segítségével, jóval pontosabb és a valóságot jobban megközelítő eredmények várhatóak meglévő és épületgépészeti tervezés fázisában lévő épületekben üzemelő/tervezett szellőztető rendszerek, levegőkezelő központok részletes energetikai vizsgálata során.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Magyarország energiafelhasználásának közel 40 %-át a lakosság, illetve a lakosság által használt épületek (lakóépületek) energiafelhasználása adja. Ez az arány az Európai Unió tagállamaiban is hasonló. Ha figyelembe vesszük az iparban és a közlekedésben lévő hasonló rendeltetésű épületeket is (pl. irodák), ez az érték megközelíti az 50 %-ot. Ezen belül meghatározó hányadot jelent a klimatizálás, különösen a levegőkezelés, szellőztetés energiafelhasználása. A szellőztető rendszerek energiafelhasználása kétféle módon határozható meg. Az üzemelő levegőkezelő központok esetén a tényleges fogyasztási adatok méréssel pontosan meghatározhatók. A 2002/91/EK direktíva alapján a tervezés fázisában is meg kell tudunk határozni az épület várható éves energiafelhasználását. A kutatási téma aktualitását is mutatja, hogy a jelenleg rendelkezésre álló szakirodalmi számítási módszerek és adatok csupán a levegőkezelő központok energiafelhasználásának hozzávetőleges becslését teszik lehetővé. Nincsenek pontos, egyértelmű módszerek. A témában végzett eddigi kutatások alapján, valamint tanulmányozva a különböző gyártó és fejlesztő cégek katalógusait, még nem állnak rendelkezésre olyan adatok, hogy a külső levegő hőmérsékletének csökkenése hogyan befolyásolja a regeneratív hővisszanyerő teljesítményét, hatásfokát, hővisszanyerőben lejátszódó hő- és nedvességátviteli folyamatot, figyelembe véve a fagyás jelenségét is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Statisztikai adatok azt bizonyítják, hogy az országban egyre szélesebb körben alkalmazzák az otthonok és a középületek aktív hűtését. Ezeknél az épületeknél jelentősen megnő a szellőztetés részaránya a teljes energiafelhasználásban. Hasonló problémával kell számolni az utólagosan hőszigeteléssel ellátott épületek üzemeltetésekor is. Ebben az esetben a szellőzés energiaszükséglete relatíve nagyobb hányadot képvisel az épület teljes gépészeti rendszerének energiafelhasználásában. Célom a szellőztető rendszerek energiatudatos épületgépészeti tervezésének elősegítése, a jelenlegi méretező számítási eljárások továbbfejlesztésével és a tervezői adatok bővítésével. A kutatás elvégzéséhez célom olyan mérőállás létrehozása, mellyel hő- és nedvességátvitelre alkalmas forgódobos hővisszanyerő hatásfokát, és hő- és nedvességátviteli tulajdonságait tudom kísérletileg meghatározni. A mért adatok felhasználásával a kiértékeléshez használt TRNSYS 17 szimulációs szoftver, valamint az így kifejlesztett méretező eljárás segítségével, jóval pontosabb és a valósághoz közelálló eredmények várhatóak meglévő és épületgépészeti tervezés fázisában lévő épületekben üzemelő/tervezett szellőztető rendszerek, levegőkezelő központok részletes energetikai vizsgálata során.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. My aim is to set up a test facility for performing the following tasks:
1. Determination the effectiveness of energy recovery by temperature and humidity measurements and comparison the results provided by the manufacturers’ catalogue on a given temperature and humidity value. The temperature and humidity sensors used can provide different measured values comparing with manufacturers’ data due to the different type sensor and uncertainly. 2. Experimental investigation of the effectiveness of energy recovery under different ambient air temperature and humidity above 0°C in steady state conditions. 3 Experimental investigation of the effectiveness of energy recovery under different ambient air temperature and humidity below 0°C in steady state conditions considering also the freezing phenomenon. 4. Experimental investigation of the effectiveness of energy recovery in transient conditions. 5. Experimental investigation of the heat-and moisture transfer characteristics of energy recovery under different air flow conditions. 6. Experimental investigation of the heat-and moisture transfer characteristics of energy recovery under different rotational speed of the energy wheel. 7. By using the measured data energetic investigation of different ventilation systems in buildings for various applications (office building, residential building, public building, industrial buildings…etc.) with analytical methods and also with TRNSYS 17 simulation software. 8. Publication the results in international peer-reviewed high impact factor scientific journals and at international and national conferences.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The test facility opens the door to measure the effectiveness, heat-and moisture transfer characteristics of the regenerative energy recovery under low temperature conditions. Evaluating the experimental results detailed information will be obtained about the supply air temperature changing by the energy recovery under different low ambient temperature levels. On the decrease of the ambient air temperature, the effectiveness will decrease and the heat-and moisture characteristics of the energy recovery will be deteriorated. Results will show exact correlation between low ambient air temperature and effectiveness that has high impact and interest also in the industry. The prospective results will show that ice layer how influences the effectiveness, heat-and moisture transfer characteristics of the regenerative energy recovery under freezing conditions. From the experimental results the ambient low temperature (under 0°C condition test) will be able to obtain when the energy recovery still can be operated. From the prospective results it will be obvious that the effectiveness, heat-and moisture characteristics are how influenced by the air flow rate change on a given ambient low temperature (considering also the balanced, overpressure and depressed ventilation). From the results it will be obvious that the effectiveness, heat-and moisture characteristics are how influenced by rotary speed of the energy wheel. Using the data based on the tests and TRNSYS 17 simulation software will facilitate more detailed analysing methodology and results to the reality for energetic investigation of operation/designed ventilation systems used in existing/designed buildings.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The population and residential buildings represent almost 40% of the total energy consumption in Hungary. Their share is similar in the EU countries. If the buildings used of the industrial and transport sector are also taken into consideration, this figure even reaches 50%. The major part of this 50% is used for air conditioning, especially for air handling. The energy consumption of air handling units can be calculated in two ways. In the case of operating air handling units the actual consumption data can be exactly determined from measurements. However according to Directive 2002/91/EC on the energy performance of buildings (EPBD) it is also important to determine the expected energy consumption of buildings in the design phase. The timeliness of this research theme shows that the actual available calculation procedures provide only rough estimations for analysing the energy consumption of ventilation systems. There are no exact and detailed methods. Based on the national and international research studies and manufacturers’ catalogue there are no data how the effectiveness, energy saved, heat-and moisture transfer characteristics of the regenerative energy recovery is influenced by low ambient temperature conditions considering also freezing phenomenon.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Statistical data show that active cooling in residential and public buildings is increasingly applied. In these buildings the ventilation proportion is significantly increased in the whole building energy consumption. There are similar problems in the operation of follow-up thermal insulated buildings. In this case the energy consumption of the ventilation system is a major proportion of the energy consumption of whole building services. My aim is to improve the energy conscious ventilation system design and develope the current calculation procedures and completing design data. To achieve this, my aim is to set up a test facility with which the effectiveness and heat- and moisture transport characteristics of regenerative energy recovery system can be experimentally investigated. Using the data based on the tests and TRNSYS 17 simulation software will facilitate more detailed analysing methodology and results to reality for energetic investigation of operated/designed ventilation systems used in existing/designed buildings.
Final report
Results in Hungarian
A kísérleti kutatás során megvizsgáltuk a forgódobos regeneratív hővisszanyerő hatásfokát különböző üzemeltetési és külső környezeti légállapotok mellett, valamint a forgódob forgásából adódó az elszívott, elhasznált levegő oldalról a frisslevegő ágba történő széndioxid visszakeveredésének mértékét állandósult állapotokban.
Numerikus vizsgálatok is készültek a következő hő-és nedvességátvitelére is alkalmas hővisszanyerős szellőztető berendezések energiafogyasztásának meghatározására: lemezes hővisszanyerő, közvetítőközeges hővisszanyerő, hőcső, szorpciós bevonattal rendelkező forgódobos hővisszanyerő, forgódobos hővisszanyerő bevonat nélkül.
A kutatómunka további szakaszában egy energetikai méretező eljárás kidolgozására került sor, melynek segítségével a mérnöki gyakorlatban jelenleg alkalmazott módszerek és rendelkezésre álló tervezői adatszolgáltatáshoz képest jóval részletesebben, és a valóságot jobban megközelítő módszerrel vizsgálhatók a hővisszanyerésben rejlő energetikai lehetőségek különböző éghajlati és üzemeltetési viszonyok mellett.
Összehasonlító energetikai elemzést végeztem különböző számítási eljárásokkal egy családi ház energetikai vizsgálata során. Az egyik alkalmazott módszert a 7/2006. TNM rendelet (WinWatt számítógépes szoftver használatával), a másik pedig a Passzívház Tervezési Csomag (PHPP) szimulációs eszköze is egyre gyakoribb PC-szoftver Magyarországon a folyamatosan szigorú energiaigény miatt.
Results in English
During the research the impact of the operational and thermal environmental conditions on their efficiency of and carbon dioxide cross-contamination rate investigation from the exhaust side into the supply side in regenerative energy recovery under steady-state conditions were investigated.
Numerical investigations were also performed on the annual energy consumption of the following heat and energy recovery ventilation systems: fixed-plate heat exchanger, the run around coil, the heat-pipe technology, sorption rotor (desiccant wheel) and rotary exchanger.
The energy recovery potentials in ventilation systems were also investigated under different climatic conditions. As the novelty of this research with the developed procedure drawn up in this study, the energetic possibilities of heat recovery under various climate and operating conditions may be examined in more detail and more realistically than with the methods and available information of current engineering practices.
Comparative energetic analysis with different calculation procedures was also performed during the investigation of a single family house. One of the methods that were used is the Ministry without Portfolio Decree No. 7/2006 (by using WinWatt computer software) and the other one was Passive House Planning Package (PHPP) simulation tool is also more and more common used PC software in Hungary due to the continuously tightening energy requirements.
Miklos Kassai: Energy Saving Investigation of Heat and Energy Recovery Ventilation Units, CIEM 2017, 8th International Conference on Energy and Environment, Bucharest, Romania, 2017
Miklos Kassai, Peter Orban: Experimental investigation of procedure for sausage drying with newly developed DC refrigerators, Journal of Hungarian Building Services, 2017
Mikos Kassai: Numerical investigation on the energy consumption of ventilation system, EXPRES 2017, 9th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources and Effectiveness and Efficiency, 2017
Miklos Kassai: Energy saved of energy recovery ventilation system, 27th Annual and 9th International Conference Indoor Climate of Buildings 2016, Štrbské Pleso, Slovakia, 2016
Miklos Kassai, Laszlo Kajtar, Jozsef Nyers: Experimental optimization of energy consumption for DC refrigerator by PID controller tuning and comparison with On-Off refrigerator, Thermal Science, 2017
Kassai M, Kajtar L: Cooling energy saved investigation of air-to-air heat-and energy exchangers, In: Nyers Jozsef (szerk.) (szerk.) EXPRES 2016, 8th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources and Efficiency. Szabadka: V3ME-Vajdasági Magyar Mérnökök és Műszakiak Egyesülete, 2016. pp. 6-10., 2016
Miklos Kassai: Energy demand and consumption investigation of a single family house, In: Nyers Jozsef (szerk.) (szerk.) EXPRES 2016, 8th International Symposium on Exploitation of Renewable Energy Sources and Efficiency. Szabadka: V3ME-Vajdasági Magyar Mérnökök és Műszakiak Egyesülete, 2016. pp. 30-36., 2016
Miklos Kassai, Mohammad Rafati Nasr, Carey J Simonson: A developed procedure to predict annual heating energy by heat and energy recovery technologies in different climate European countries, ENERG BUILDINGS 109: 267-273, 2015
