eksamen-energiteknikk-og-bygningsinstallasjoner-h2020-skriftlig-komponent

(1)

1 EKSAMENSOPPGAVE

Emne: IRE36213/Energiteknikk og bygningsinstallasjoner

Lærer/telefon: Ole Kristian Førrisdahl/97497378 og Bjørn Halvor Sture/46683781

Grupper: E3E, E3E-y Dato: 16.12.2020 Tid: 09.00 – 13.30 (siste 30 min er påtenkt

opplastning av .pdf fil)

Antall oppgavesider: 8 (med denne side) Antall vedleggsider: 17

Sensurfrist til studentene: 06.01.2021 Oppgaven er kontrollert: ja av sensor Hjelpemidler:

Alle skriftlige kilder.

Det er forbudt å kommunisere med andre om eksamensoppgavene under skriftlig hjemmeeksamen.

KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG

Dersom du savner opplysninger som er nødvendige for at du skal kunne løse oppgavene, bruker du symboler eller rimelige verdier med begrunnelse.

Oppgi alle svar i SI enheter hvis annet ikke er spesifisert.

Oppgavesettet består av oppgaver som til sammen utgjør 105%.

Du trenger ikke å besvare flere oppgaver enn at summen av disse utgjør 100 %.

Sagt på en annen måte: Du kan velge vekk en eller flere deloppgaver på til sammen 5 %.

Du kan ikke velge vekk deloppgaver i oppgave 1, 2, 3 og 4, disse utgjør 65 %

Hvis du velger å besvare 100+z % oppgaver, vil din karakter bli satt i forhold til det antall oppgaver du har besvart

x/100 + (38/100)(y/(38+z))

der x og y er antall poeng du har oppnådd på hhv må besvares oppgavene (oppgave 1, 2, 3 og 4) og på resten av oppgavene.

(2)

2

Oppgave 1. (30 %) (HELE MÅ BESVARES)

Østneset Elektro AS har fått i oppdrag å utføre et arbeid med å prosjektere og installere en forsyningskabel til et uttak for en elektrokjele i

produksjonslokalene til Raskmat AS. Følgende feilstrømmer i fordelingsskapet der installasjonen er tilknyttet et allment TN – S -system er vist nedenfor:

Ik3pmaks = 4,10 kA og cos ϕ = 0,85 Ik2pmaks = 3,55 kA og cos ϕ = 0,85 Ik2pmin = 2,95 kA og cos ϕ = 0,89 Ik1pmax(PE/N) = 3,1 kA og cos ϕ = 0,90 Ik1pmin(PE/N) = 1,08 kA og cos ϕ = 0,95

Toleransegrense på spenningen er ± 6 % (jf. NEK IEC 60909-0:2016) Resistiviteten for kobber _



 



 

m mm

CU

2

57

 1

Ut fra fordelingsskapet skal det installeres en kurs som skal tilkoples et 400 V trefaset uttak for elektrokjelen.

 Maksimal belastningsstrøm til elektrokjelen vil være 56 A og cos ϕ = 0,9

 Elektrokjelen vil bli forsynt av en 50 m lang kabel av typen PFSP uten N-leder

 Kabelen vil bli forlagt på en horisontal perforert kabelbro der kablene berører hverandre, og det er til sammen 2 parallelle kabelbroer

 Maksimalt spenningsfall settes til 3,5 % for denne kursen

 Maksimal omgivelsestemperatur er antatt å være 35 C

 Kabelen vil bli forlagt sammen med tre andre kabler, der en av kablene er kun 30 % varig belastet i forhold til sin maksimale strømføringsevne (IZ)

 Kursen skal beskyttes mot overstrøm med en elementautomat med C – karakteristikk og med en bryteevne (Icn) lik 10 kA

 Det skal ikke benyttes strømstyrt jordfeilvern som tilleggsbeskyttelse mot elektrisk sjokk på denne kursen

a) Prosjekter kursen til elektrokjelen ved bruk av minste tillatte kabeltversnitt og dokumenter at kursen oppfyller kravene i NEK 400:2018

(3)

3

Oppgave 2 (10 %) (HELE MÅ BESVARES)

Et eldre bygg har blitt renovert der oppvarmingssystemet skal være elektrisk.

Bygget er oppført med følgende konstruksjoner og U – verdier. Bygningen har disse målene:

 Lengde: 35 m

 Bredde: 25 m

 Høyde: 3,5 m

Bygningen har disse dataene:

 Yttervegger: Trekonstruksjoner, U = 0,18 (W/m²·K)

 Vinduer: Tolags energiglass, U = 1,2 (W/m²·K)

 Tak: Prefabrikkerte elementer, U = 0,13 (W/m²·K)

 Ytterdører: U = 1,3 (W/m²·K)

 Gulv: U = 0,15 (W/m²·K)

 Vinduer: 80 m²

 Ytterdører: 15 m²

 Dimensjonerende utetemperatur settes til -15 °C

 Dimensjonerende innetemperatur settes til 20 °C

 Dimensjonerende temperatur under gulv settes til 5 °C

 Antall luftvekslinger (ni) grunnet infiltrasjon settes til 0,3 pr. time

 Det skal installeres en roterende varmegjenvinner med en virkningsgrad på 70 %

 Det er installert et ventilasjonsanlegg som gir 1,5 luftvekslinger pr. time

 Ventilasjonsanlegget er bare i drift på dagtid: f = 0,88

 Varmekapasitet (c) for luft er 0,35 (Wh/m³K)

 Energitilskuddet settes til 60 kWh/m²

 Gjennomsnitt (årsmiddel) temperatur for beregningsperioden settes til 6,1 ˚C

 Ventilasjonsanlegget har en driftstid på 80 timer pr. uke

 Se bort fra energitilskudd fra solstråling

a) Beregn det totale årlige energibehovet til bygget

(4)

4

Oppgave 3 (10 %) (HELE MÅ BESVARES) a) (3 %)

Hva er hensikten med internasjonal standardisering av krav til elektroinstallasjoner?

b) (2 %)

Hvordan oppfattes en norm eller en standard?

c) (2 %)

Ved planlegging av en elektroinstallasjon er det noen hovedmål man må ta hensyn til. Hvilke hovedmål er det snakk om her?

d) (3 %)

Det finnes to hovedtyper av fordelingssystemer som benyttes: direkte jordet system og isolert system. Det er systemenes forhold til jord og systemenes oppførsel ved jordfeil som gjør de så forskjellige. Hva menes med et direkte jordet fordelingssystem og hva menes med et isolert fordelingssystem.

(5)

5

Oppgave 4. (15 %) (HELE MÅ BESVARES)

I faget er det høsten 2020 gitt to (2) tekniske rapporter, hvor det skulle skrives en kort rapport i henhold til utlevert oppgavetekst:

Teknisk rapport nr. 1 Solenergi og fornybar energi

Teknisk rapport nr. 2 Kjerneenergi, batterier, hydrogen og motorer, varmekraftprosesser, kjøleanlegg, varmepumper og varmeoverføring

Antall like besvarelser som godkjennes av hver teknisk rapport er gitt i oppgaveteksten til hver av de tekniske rapportene. Det må klart fremgå av første side i hver av rapportene, hvem du har samarbeidet med i form av kandidatnummer på denne.

Rapportene skal leveres i Inspera innen 17.12.2020 kl. 12.00. Det er mulig å erstatte innleverte filer helt frem til innleveringsfristen.

Rapportene skal leveres samlet som en (1) .pdf fil. Filnavnet skal

inneholde ditt kandidatnummer. Filens størrelse skal ikke overstige 1 GB.

Sjekk at opplastet fil samstemmer med hva du leverte inn.

a) (7,5 %)

Teknisk rapport nr. 1 levert i Inspera blir evaluert.

b) (7,5 %)

Teknisk rapport nr. 2 levert i Inspera blir evaluert

(6)

6

Oppgave 5. (12 %)

Innløp:

Utløp:

damphastighet v1 = 50 m/s stedshøyde z1 = 9 m trykk p1 = 4.0 MPa temperatur T1 = 773 K dampkvalitet X1 = 1.0

damphastighet v2 = 110 m/s

stedshøyde z2 = 4 m trykk p2 = 0.2 MPa temperatur T2 = ? dampkvalitet X2 = ?

Vanndamp tilføres en turbin ved 40 bar og 773 K. Trykket ut av turbinen er 2 bar. Turbinen opererer adiabatisk og stasjonært (steady-state).

Kjente tilstander ved innløp og utløp er gitt på figuren over. Forandringer i den kinetiske og potensielle energien kan i denne oppgaven neglisjeres.

a) (3 %)

Bruk en damptabell og Mollier-diagrammet (vedlegg 8) for å finne spesifikk entalpi og antall grader overheting av dampen ved innløpet til turbinen. Kommenter differanser.

b) (3 %)

Estimer det spesifikke arbeidet turbinen kan utføre hvis turbinen opererer isentropisk.

c) (2 %)

Den isentropiske virkningsgraden er på 80 %. Beregn det spesifikke arbeidet turbinen kan utføre med denne virkningsgraden og finn temperaturen ut av turbinen.

d) (2 % )

Hva er dampkvaliteten ved utløpet av turbin

i) for den isentropiske prosessen? ii) for den virkelige prosessen?

e) (2 %)

Turbinen er koblet sammen med en generator som produserer elektrisitet.

Generatoren har en virkningsgrad på 97 %.

Hvor mye damp trenger turbinen per sekund hvis generatoren skal yte en effekt på 17.5 MW?

p1, T1, X1, v1, z1

p2, T2, X2, v2, z2

(7)

7

Oppgave 6 (11 %)

En pumpe skal brukes til å transportere vann fra en tank til en tank som ligger 15 m høyere.

a) (2 %)

Lag en skisse av prosessen. Spesifiser antagelser b) (3 %)

Hvilken informasjon trenger man hvis man skal dimensjonere pumpen?

c) (3 %)

Sett opp en energibalanse for systemet.

d) (3 %)

Diskuter om det er nødvendig med flere pumper, samt hvordan disse skal plasseres.

(8)

8

Oppgave 7. (17 %)

a) (3 %)

Hva karakteriserer en ideell kjøleanleggssyklus?

b) (2 %)

Hvilke egenskaper bør kuldemediet i en varmepumpe ha?

c) (4 %)

I en ideell dampkomprimerings kjøleprosess tilføres kjølemediet R-134a kompressoren med en massestrøm på 0,12 kg/s og ett trykk på 0,15 MPa. Trykket øker til 0,80 MPa i kompressoren.

Etter kondensator blir kjølemediet strupet til 0,15 MPa.

Tegn inn prosessen i et pH-diagram (vedlegg 14).

Finn også temperatur ved utløpet av kondensatoren og utløpet av fordamperen.

d) (2 %)

For prosessen beskrevet i 7c) estimer effektforbruket til kompressoren.

e) (2 %)

For systemet beskrevet i 7c) finn kuldefaktoren COPR (effektfaktoren) til kjøleanlegget.

f) (4 %)

Vis kort at du har lært deg noe i energiteknikkdelen, som du ikke har fått spørsmål om på denne eksamen.

(9)

9

VEDLEGG

(10)

Høgskolen i Østfold Avdeling for ingeniørfag

10

Vedlegg 1

Diagram over utnyttelsesgrad for energitilskudd

(11)

11

Vedlegg 2 Spenningsfaktoren c

Spenningsfaktoren” c” er en faktor som skal kompensere for lastpåvirking,

overgangsmotstand, spenningsfall og er forskjellig for beregning av henholdsvis maksimum og minimum feilstrøm for ulike systemspenninger. Faktoren er gitt i henhold til NEK IEC 60909-0:2016

Spenningsfaktoren c

Toleransegrense for spenning (%)

Nominell spenning (kV) Un

Maksimal strøm Cmaks

Minimal strøm Cmin

± 6 0,1 - ≤ 1 1,05 0,95

± 10 1,10 0,90

˃ 1 1,10 1,0

Temperaturkompensering

Lederens sluttemperatur ved beregning av minste feilstrøm

Hovedkurser Distribusjons- og forbrukerkurser

Alle typer vern Smeltesikringer Elementautomater og effektbrytere PVC -isolasjon 70 °C PVC -isolasjon 115 °C PVC -isolasjon 70 °C EPR/PEX -isolasjon 90 °C EPR/PEX -isolasjon 160 °C EPR/PEX -isolasjon 90 °C

Temperaturkorreksjonsfaktor (k

_t2

) for resistanser

t₂⁰C

k_t2

(1+α∆t) t₂⁰C

k_t2 (1+α∆t)

25 1,02 100 1,32

30 1,04 105 1,34

35 1,06 110 1,36

40 1,08 115 1,38

45 1,10 120 1,40

50 1,12 125 1,42

55 1,14 130 1,44

60 1,16 135 1,46

65 1,18 140 1,48

70 1,20 145 1,50

75 1,22 150 1,52

80 1,24 155 1,54

85 1,26 160 1,56

90 1,28 165 1,58

95 1,30 170 1,60

(12)

12

Kabeldata Vedlegg 3

Cu-kabel med skjerm

Fase/PE rfase xfase rPE xPE

(mm²) (mΩ/m) (mΩ/m) (mΩ/m) (mΩ/m)

1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,150

2,5/2,5 7,41 0,103 7,41 0,140

4/4 4,61 0,100 4,61 0,130

6/6 3,08 0,094 3,08 0,130

10/10 1,83 0,091 1,83 0,120

16/16 1,15 0,085 1,15 1,105

25/16 0,727 0,081 1,15 0,100

35/16 0,524 0,079 1,15 0,099

50/25 0,387 0,079 0,727 0,098

70/35 0,268 0,075 0,524 0,098

95/50 0,193 0,075 0,387 0,097

120/70 0,153 0,072 0,268 0,095

150/70 0,124 0,069 0,268 0,094

185/95 0,099 0,069 0,193 0,095

240/120 0,075 0,069 0,153 0,097

Cu-kabel uten skjerm 3 leder (2 leder + Pe leder)

1,5/1,5 12,10 0,106 12,10 0,106

2,5/2,5 7,41 0,105 7,41 0,103

4/4 4,61 0,100 4,61 0,100

6/6 3,08 0,094 3,08 0,094

10/10 1,83 0,091 1,83 0,091

16/16 1,15 0,085 1,15 0,085

Cu-kabel uten skjerm 4 leder (3 leder + Pe leder)

1,5/1,5 12,10 0,135 12,10 0,12

2,5/2,5 7,41 0,132 7,41 0,12

4/4 4,61 0,129 4,61 0,11

6/6 3,08 0,123 3,08 0,109

10/10 1,83 0,120 1,83 0,106

16/16 1,15 0,110 1,15 0,100

25/25 0,73 0,108 0,73 0,090

35/35 0,52 0,100 0,52 0,080

50/50 0,39 0,097 0,39 0,080

Al-kabel med skjerm

16/10 1,910 0,085 1,83 0,105

25/10 1,200 0,082 1,83 0,100

50/16 0,641 0,079 1,15 0,098

95/35 0,320 0,075 0,524 0,097

150/50 0,206 0,072 0,387 0,094

240/70 0,125 0,072 0,268 0,097

Al-kabel uten skjerm

25/25 1,200 0,084 1,200 0,084

50/50 0,641 0,081 0,641 0,081

95/95 0,320 0,078 0,320 0,078

(13)

13

Vedlegg 4 Verndata for elementautomater

(14)

14

Vedlegg 5

Strøm – tid kurve for elementautomater med B og C - karakteristikk

(15)

15

Vedlegg 6

Gjennomsluppet energi for elementautomater med C – karakteristikk

(16)

16

Vedlegg 7

Data for lysrørsarmatur RXB 2/36 W

(17)

17

Kandidatnummer:____________

Vedlegg 8

(18)

18

Kandidatnummer:____________

Vedlegg 8

(19)

19

Vedlegg 9

(20)

20

Vedlegg 10

(21)

21

Vedlegg 11

2 2

( ) ( )

2 2

i i j

f i L

i i j

L v v

h f K

D g g

   

(22)

22

Vedlegg 12

(23)

23

Vedlegg 13

Termisk konduktivitet (W/mK)

(24)

24

Vedlegg 14

Kandidat nummer:_______

(25)

25