Hvordan optimaliserer vi HVAC-systemer for å imøtekomme faktisk bruk, spare energi og gi et sunt og komfortabelt miljø for bygningens beboere?
Energi i bygninger
Energisparing er et av de viktigste temaene for mange selskaper i byggebransjen. Siden HVAC utgjør en betydelig andel av bygningers energiforbruk gjennom hele levetiden, bør teknologien som er spesifisert og brukt i bygninger være i forkant av hvordan man kan spare energi. Produkter for ventilasjon, oppvarming og kjøling blir stadig mer effektive, drevet av lovgivning og utvikling av ny teknologi i komponentene. Men mens man beveger seg mot ny effektiv teknologi, må det sikres at eksisterende teknologi brukes på den smarteste og mest effektive måten.
Vanligvis er HVAC-systemer designet for verst tenkelig bruk av bygningen. Kjølesystemer er designet for høye sommertemperaturer og sterkt sollys, varmesystemer er designet for de kaldeste dagene i året, og ventilasjonssystemer er basert på maksimale beleggsnivåer. Dette er flott for å designe robuste bygninger, klare for alle forhold. Men er det slik de brukes?
Systemer designet for toppbelastninger vil svært sjelden bli brukt på disse designnivåene, om noen gang. Mesteparten av levetiden vil de operere med en brøkdel av designbelastningen. Denne forskjellen mellom topp designbelastninger og faktiske driftsbelastninger er svært stor, og som vi skal se, blir den bare større.
Nåværende og fremtidig ytelsesgap
To faktorer vil føre til at forskjellen mellom toppdesign og driftspunkter blir enda mer ekstrem.
Bygninger brukes i dag på en mer fleksibel måte, spesielt kontor- og næringsbygg, ettersom bedrifter og ansatte tilbys muligheter for fleksibel arbeidstid. Et ventilasjons- og kjølesystem for kontorbygg som er designet for full belegg i 2020, vil sjelden ha samme belegg i 2023 og utover.
Global oppvarming har allerede en innvirkning på ekstremværet, og selv med betydelige endringer i de medvirkende faktorene, forventes det mer ekstremvær i fremtiden. Europa vil sannsynligvis møte varmere og tørrere somre. Dette, i kombinasjon med den urbane varmeøyeffekten som forverrer sommertemperaturen med høye varmeforhold i områdene der mange kontorer og næringsbygg ligger, samt vurderingen av hvordan man skal utforme varmereduksjon på by- og gatenivå, vil sannsynligvis bety at toppbelastningene bygningssystemer er designet for er enda lenger unna den daglige driften av bygninger.
Bygningsdesignere må integrere den nye måten å bruke bygninger på, samt fremtidige risikoer for ekstremvær, i nåværende bygningsdesign, enten det er i utviklings- eller renoveringsfasen.
Finne effektiviteten i ytelsesgapet
Når et HVAC-system kjører på dellast, fungerer det vanligvis mer effektivt. Luftbehandlingsenheter (AHU-er) som kjører på halv viftehastighet vil bruke mindre enn en fjerdedel av inngangseffekten. En kjøler eller varmepumpe som kjører på dellast utnytter varmeveksleren sin maksimalt for å kunne kjøre med høyere effektivitet. Men er dette hva som er tilgjengelig med teknologien vi har tilgjengelig?
Hvis vi kan kontrollere aggregatene våre til kun å gi den mengden luft vi trenger for beboerne inne i bygningen, ved å bruke behovsstyrt ventilasjon (DCV), kan kjøle- og varmebatteriene, som er dimensjonert for full kapasitet, kontrollere temperaturen på friskluften med mye mindre energi.
Spolene i viftekonvektorer eller kjølebjelker som betjener innendørsområdene trenger heller ikke å fungere ved full belastning, siden disse enhetene vanligvis velges for fullt belegg og under topp sommer- eller vinterforhold.
Deretter må vi ta en avgjørelse angående disse spolene som ikke trenger full kapasitet. Den tradisjonelle løsningen ville være å redusere strømmen av kjøle- eller varmevæske ved hjelp av en ventil. Dette er en enkel måte å kontrollere lokalt på, og er standard med nesten alle systemer. Men hvis vi har litt mer intelligens i forbindelsen mellom kjøleren/varmepumpen og spolen, kan vi i tillegg optimalisere temperaturen på væsken som forsyner spolen. En kjølespiral som er designet for å bruke 6 grader Celsius vann, ved 100 % kapasitet, trenger ikke den temperaturen ved 50 % kapasitet.
Grunnen til å endre vanntemperaturen til spolene er å øke effektiviteten til kjøleren/varmepumpen. Å øke temperaturen på vannet som strømmer fra en kjøler med én grad gjør den omtrent 3 % mer effektiv. Å bruke en varmepumpe én grad kaldere øker effektiviteten tilsvarende.
Så når vi analyserer behovet fra spolene som styrer komforten i rommene, enten det er i aggregatet eller i rommet, kan de drives med en optimalisert vanntemperatur mesteparten av tiden. Faktisk viser nyere beregninger av aggregater koblet til varmepumper at vanntemperaturene kan optimaliseres i over 95 % av driftstiden, noe som sparer over 20 % av kjøleenergien og over 30 % av varmeenergien. Dette ved ganske enkelt å kontrollere systemet mer intelligent.
Denne typen kapasitetskontroll gir fortsatt god romkomfort samt energifordeler, og reduserer temperatursvingninger og trekk i rommet, når den kontrolleres riktig.
Passiv og frikjøling
Hvis vi har frikjøling tilgjengelig i kjøleren, har optimalisering av vanntemperaturene en enda større effekt på effektiviteten. Frikjøling er der kjølevannskretsen kjøles direkte av uteluften i stedet for ved å bruke DX-kjølekretsen til kjøleren. Vanligvis er noe frikjøling tilgjengelig når omgivelsestemperaturen er én grad Celsius under returvannstemperaturen. Mengden frikjøling øker jo større forskjellen er mellom omgivelses- og vanntemperaturen, helt til kjøleren kan gi all nødvendig kjøling ved hjelp av frikjølingsfunksjonen. For hver grad vi øker kjølevannstemperaturen, øker antallet timer vi kan få frikjøling betraktelig, noe som sparer enorme mengder energi.
Vi kan også bruke den naturlige kjølingen som er tilgjengelig fra bakken når vi bruker en jordvarmepumpe/kjøler. Jordvarmesystemer samler lavgradig varme i jorden ved hjelp av en sløyfe med rørledningsvæske og multipliserer den med en varmepumpe for å produsere effektiv og virkningsfull oppvarming av rommene våre. Mange varmepumper kan også operere i kjølemodus, noe som gir effektiv kjøling ved å avgi varme til bakken gjennom jordvæskesløyfen. Denne typen system er perfekt for passiv kjøling i en dellastsituasjon. Å omgå varmepumpen og kjøle systemet direkte ved hjelp av den lavere temperaturen i bakken er en ekstremt effektiv måte å kjøle på. Akkurat som med frikjøling, lar optimalisering av vanntemperaturene i dellastdrift systemet være i passiv kjøling i maksimal tid, noe som sparer mest energi.
Kontroll og intelligens
For å oppnå dette trenger vi en systemkontroll som kan gjenkjenne belastningen som kreves på spolen(e) og bruke denne informasjonen til å optimalisere temperaturene i kjøleren/varmepumpen deretter. Intelligens innebygd i kjølere, varmepumper, luftbehandlingsenheter og romenheter er nødvendig. En forståelse av begrensningene til de separate produktene er viktig, sammen med deres driftsgrenser og kunnskap om når man ikke skal optimalisere. I tillegg til dette må en systemkontroll på et høyere nivå kommunisere effektivt mellom alle disse systemdelene. Bortsett fra det oppnås energibesparelsene ved å bruke de vanlige systemdelene, ikke ved å investere i mer effektivt utstyr spesielt, men ved å kontrollere det vi har på en mer intelligent måte.
Enten systemene vi jobber med er eksisterende installerte systemer i et renoveringsprosjekt eller en nyutvikling som bruker banebrytende, effektive nye produkter, gjelder prinsippene for ytterligere energisparing i dellastdrift fortsatt som en effektiv og bærekraftig måte å redusere driftskostnadene på.
Publisert: 26. april 2023
