Jak optimalizujeme systémy vytápění, větrání a klimatizace tak, aby reagovaly na reálné používání, šetřily energii a poskytovaly zdravé a pohodlné prostředí pro obyvatele budovy?
Energie v budovách
Úspora energie je jedním z nejdůležitějších témat pro mnoho společností ve stavebnictví. Vzhledem k tomu, že systémy vytápění, větrání a klimatizace (HVAC) tvoří po celou dobu své životnosti značný podíl na spotřebě energie v budovách, měly by být technologie specifikované a používané v budovách v popředí, jak šetřit energii. Produkty pro větrání, vytápění a chlazení se postupně stávají efektivnějšími, a to díky legislativě a vývoji nových technologií v jejich komponentách. Při přechodu na nové účinné technologie je však třeba zajistit, aby stávající technologie byly využívány co nejchytřejším a nejefektivnějším způsobem.
Systémy HVAC jsou obvykle navrženy pro nejhorší možný způsob využití budovy. Chladicí systémy jsou navrženy pro maximální letní teploty a jasné sluneční světlo, topné systémy jsou navrženy pro nejchladnější dny v roce a ventilační systémy jsou založeny na maximální obsazenosti. To je skvělé pro navrhování odolných budov, připravených na všechny podmínky. Ale používají se takto?
Systémy navržené pro špičkové zatížení budou na těchto konstrukčních úrovních používány jen velmi zřídka, pokud vůbec. Po většinu své životnosti budou provozovány se zlomkem konstrukčního zatížení. Tento rozdíl mezi špičkovým konstrukčním zatížením a skutečným provozním zatížením je velmi velký a jak uvidíme, stále se zvětšuje.
Současný a budoucí rozdíl ve výkonnosti
Dva faktory způsobí, že rozdíl mezi návrhovými a provozními body vrcholu bude ještě extrémnější.
Budovy se dnes využívají flexibilněji, zejména kancelářské a komerční prostory, protože firmám i zaměstnancům se nabízí možnost flexibilní práce. Systém větrání a chlazení kancelářské budovy navržený pro plnou obsazenost v roce 2020 se v roce 2023 a dále jen zřídka dočká stejné obsazenosti.
Globální oteplování již má vliv na extrémní počasí a i při podstatných změnách přispívajících faktorů se v budoucnu očekávají další extrémní povětrnostní jevy. Evropa bude pravděpodobně čelit teplejším a sušším létům. To v kombinaci s efektem městského tepelného ostrova, který kombinuje letní teploty s vysokými teplotami v oblastech, kde se nachází mnoho kanceláří a komerčních budov, a také s úvahami o tom, jak navrhnout zmírňování tepelných změn na úrovni města a ulic, pravděpodobně znamená, že špičkové zatížení, pro které jsou stavební systémy navrženy, bude ještě dále od každodenního provozu budov.
Stavební projektanti musí do stávajícího návrhu budov integrovat nový způsob užívání budov i budoucí rizika extrémního počasí, ať už ve fázi výstavby nebo rekonstrukce.
Nalezení efektivity v mezeře výkonnosti
Když systém HVAC pracuje s částečným zatížením, obvykle pracuje efektivněji. Vzduchotechnické jednotky (AHU) pracující s poloviční rychlostí ventilátoru spotřebují méně než čtvrtinu vstupního výkonu. Chladič nebo tepelné čerpadlo pracující s částečným zatížením maximálně využívá svůj výměník tepla, aby mohl pracovat s vyšší účinností. Je to však to, co je k dispozici s technologií, kterou máme k dispozici?
Pokud dokážeme naše vzduchotechnické jednotky ovládat tak, aby dodávaly pouze tolik vzduchu, kolik potřebujeme pro obyvatele uvnitř budovy, pomocí větrání řízeného podle potřeby (DCV) mohou chladicí a topné cívky, které jsou dimenzovány na plný výkon, regulovat teplotu čerstvého vzduchu s mnohem menší spotřebou energie.
Výměníky ve fan-coilech nebo chladicích trámech, které obsluhují vnitřní prostory, také nemusí pracovat při plném zatížení, protože tyto jednotky jsou obvykle vybírány pro plné obsazení a za špičkových letních nebo zimních podmínek.
Pak se musíme rozhodnout ohledně těchto výměníků, které nepotřebují plný výkon. Tradiční cestou by bylo snížení průtoku chladicí nebo topné kapaliny pomocí ventilu. Jedná se o jednoduchý způsob lokálního ovládání a je standardní u téměř všech systémů. Pokud však máme o něco více inteligence v propojení mezi chladičem/tepelným čerpadlem a výměníkem, můžeme navíc optimalizovat teplotu kapaliny obsluhujícího výměník. Chladicí výměník určený pro použití vody o teplotě 6 stupňů Celsia při 100% výkonu tuto teplotu při 50% výkonu nepotřebuje.
Důvodem pro změnu teploty vody přiváděné do výměníků je zvýšení účinnosti chladiče/tepelného čerpadla. Zvýšení teploty vody proudící z chladiče o jeden stupeň zvyšuje jeho účinnost přibližně o 3 %. Provoz tepelného čerpadla s teplotou nižší o jeden stupeň zvyšuje jeho účinnost o podobné hodnoty.
Takže když analyzujeme poptávku po výměnících, které regulují komfort v místnostech, ať už v vzduchotechnické jednotce nebo v prostoru, lze je provozovat s optimalizovanou teplotou vody po většinu času. Nedávné výpočty vzduchotechnických jednotek připojených k tepelným čerpadlům dokonce ukazují, že teploty vody lze optimalizovat po více než 95 % provozní doby, čímž se ušetří více než 20 % energie na chlazení a více než 30 % energie na vytápění. To jednoduše díky inteligentnějšímu řízení systému.
Tento typ regulace výkonu stále poskytuje velký komfort v místnosti a také energetické výhody, protože při správné regulaci snižuje teplotní výkyvy a průvan v místnosti.
Pasivní a volné chlazení
Pokud máme v chladiči k dispozici volné chlazení (free cooling), má optimalizace teploty vody ještě větší vliv na účinnost. Volné chlazení je chlazení, při kterém je okruh chladicí vody chlazen přímo venkovním vzduchem, a nikoli pomocí chladicího okruhu DX chladiče. Volné chlazení je obvykle k dispozici, když je teplota okolního vzduchu o jeden stupeň Celsia nižší než teplota vratné vody. Množství volného chlazení se zvyšuje s větším rozdílem mezi teplotou okolí a teplotou vody, dokud chladič není schopen zajistit veškeré potřebné chlazení pomocí své funkce volného chlazení. S každým stupněm zvýšení teploty chladicí vody se značně zvyšuje počet hodin, po které můžeme volně chladit, což šetří obrovské množství energie.
Přirozené chlazení ze země můžeme využít i při použití tepelného čerpadla/chladiče země-voda. Systémy země-voda shromažďují nízkofrekvenční teplo ze země pomocí okruhu rozvodné kapaliny a znásobují ho pomocí tepelného čerpadla, čímž vytvářejí efektivní a účinné vytápění našich prostor. Mnoho tepelných čerpadel může pracovat i v režimu chlazení, kdy zajišťuje efektivní chlazení odváděním tepla do země přes okruh země-vody. Tento typ systému je ideální pro pasivní chlazení při částečném zatížení. Obcházení tepelného čerpadla a chlazení systému přímo pomocí nižší teploty země je extrémně účinný způsob chlazení. Stejně jako u volného chlazení umožňuje optimalizace teploty vody při provozu s částečným zatížením systému pasivní chlazení po maximální dobu, což šetří nejvíce energie.
Kontrola a inteligence
Abychom toho dosáhli, potřebujeme systémové řízení, které dokáže rozpoznat požadované zatížení výměníku (výměníků) a na základě těchto informací optimalizovat teploty chladiče/tepelného čerpadla. Je zapotřebí inteligence zabudovaná do chladičů, tepelných čerpadel, vzduchotechnických jednotek a pokojových jednotek. Nezbytné je pochopení limitů jednotlivých produktů spolu s jejich provozními limity a znalost toho, kdy optimalizaci neprovádět. Navíc musí systémové řízení na vyšší úrovni efektivně komunikovat mezi všemi těmito částmi systému. Kromě toho se úspor energie dosahuje používáním běžných částí systému, nikoli investováním do efektivnějšího zařízení, ale inteligentnějším řízením toho, co máme.
Ať už se jedná o stávající instalované systémy v rámci rekonstrukce nebo o novostavby využívající nejmodernější a nejefektívnější produkty, principy úspory energie při provozu s částečným zatížením stále platí jako efektivní a udržitelný způsob snižování provozních nákladů.
Čas zveřejnění: 26. dubna 2023
