W jaki sposób optymalizujemy systemy HVAC, aby odpowiadały rzeczywistym potrzebom, oszczędzały energię i zapewniały zdrowe i komfortowe środowisko dla mieszkańców budynku?
Energia w budynkach
Oszczędność energii jest jednym z najważniejszych tematów dla wielu firm z branży budowlanej. Ponieważ HVAC stanowi znaczną część zużycia energii w budynku w całym okresie jego eksploatacji, technologia określona i stosowana w budynkach powinna być na czele tego, jak oszczędzać energię. Produkty do wentylacji, ogrzewania i chłodzenia stają się stopniowo bardziej wydajne, napędzane przez przepisy i rozwój nowych technologii w komponentach. Jednak podczas przechodzenia na nową, wydajną technologię należy upewnić się, że istniejąca technologia jest wykorzystywana w najinteligentniejszy, najbardziej wydajny sposób.
Zazwyczaj systemy HVAC są projektowane do najgorszego wykorzystania budynku. Systemy chłodzenia są projektowane na szczytowe temperatury letnie i jasne światło słoneczne, systemy grzewcze są projektowane na najzimniejsze dni w roku, a systemy wentylacyjne są oparte na maksymalnym poziomie obłożenia. To świetne rozwiązanie do projektowania odpornych budynków, gotowych na wszystkie warunki. Ale czy tak się je wykorzystuje?
Systemy zaprojektowane dla obciążeń szczytowych będą bardzo rzadko używane na tych poziomach projektowych, jeśli w ogóle. Przez większość swojego życia będą działać przy ułamku obciążenia projektowego. Ta dysproporcja między szczytowymi obciążeniami projektowymi a rzeczywistymi obciążeniami eksploatacyjnymi jest bardzo duża i, jak zobaczymy, staje się coraz większa.
Obecna i przyszła luka w wydajności
Dwa czynniki spowodują, że różnica pomiędzy punktami szczytowymi i roboczymi stanie się jeszcze większa.
Budynki są obecnie wykorzystywane w bardziej elastyczny sposób, szczególnie w zastosowaniach biurowych i komercyjnych, ponieważ firmy i pracownicy mają możliwość elastycznej pracy. System wentylacji i chłodzenia budynku biurowego zaprojektowany do pełnego obłożenia w roku 2020 rzadko będzie miał takie samo obłożenie w roku 2023 i później.
Globalne ocieplenie ma już wpływ na ekstremalne zjawiska pogodowe i nawet przy znacznych zmianach czynników przyczyniających się do nich, w przyszłości spodziewane są bardziej ekstremalne zjawiska pogodowe. Europa prawdopodobnie będzie musiała stawić czoła cieplejszym i suchszym latom. To w połączeniu z efektem miejskiej wyspy ciepła, który powoduje, że temperatura latem wzrasta wraz z wysokimi temperaturami w obszarach, w których znajduje się wiele biur i budynków komercyjnych, a także rozważania na temat tego, jak zaprojektować łagodzenie skutków upałów na poziomie miasta i ulicy, prawdopodobnie oznacza, że szczytowe obciążenia, dla których projektowane są systemy budynków, są jeszcze bardziej oddalone od codziennej eksploatacji budynków.
Projektanci budynków muszą uwzględniać nowy sposób użytkowania obiektów oraz przyszłe zagrożenia związane z ekstremalnymi warunkami pogodowymi w bieżącym projekcie budynku, zarówno na etapie budowy, jak i modernizacji.
Znalezienie efektywności w luce wydajnościowej
Gdy system HVAC pracuje przy częściowym obciążeniu, zazwyczaj działa wydajniej. Jednostki przetwarzania powietrza (AHU) pracujące przy połowie prędkości wentylatora zużywają mniej niż jedną czwartą mocy wejściowej. Agregat chłodniczy lub pompa ciepła pracująca przy częściowym obciążeniu maksymalnie wykorzystuje swój wymiennik ciepła, aby umożliwić mu pracę przy wyższej wydajności. Czy jednak jest to możliwe dzięki dostępnej technologii?
Jeżeli możemy sterować naszymi centralami wentylacyjnymi tak, aby dostarczały tylko taką ilość powietrza, jakiej potrzebują mieszkańcy budynku, wykorzystując wentylację sterowaną zapotrzebowaniem (DCV), wówczas wężownice chłodzące i grzewcze o pełnej wydajności mogą kontrolować temperaturę świeżego powietrza, zużywając znacznie mniej energii.
Również wężownice w klimakonwektorach lub belkach chłodzących obsługujących pomieszczenia wewnętrzne nie muszą pracować przy pełnym obciążeniu, ponieważ jednostki te są zwykle wybierane przy pełnym obciążeniu oraz w szczytowych warunkach letnich i zimowych.
Następnie musimy podjąć decyzję dotyczącą tych wężownic, które nie potrzebują pełnej wydajności. Tradycyjnym rozwiązaniem byłoby zmniejszenie przepływu cieczy chłodzącej lub grzewczej za pomocą zaworu. Jest to prosty sposób na kontrolę lokalną i jest standardem w przypadku niemal wszystkich systemów. Jednak jeśli mamy nieco więcej inteligencji w połączeniu między agregatem chłodniczym/pompą ciepła a wężownicą, możemy dodatkowo zoptymalizować temperaturę cieczy obsługującej wężownicę. Wężownica chłodząca zaprojektowana do używania wody o temperaturze 6 stopni Celsjusza przy 100% wydajności nie potrzebuje tej temperatury przy 50% wydajności.
Powodem zmiany temperatury wody w wężownicach jest zwiększenie wydajności chłodziarki/pompy ciepła. Zwiększenie temperatury wody płynącej z chłodziarki o jeden stopień sprawia, że jest ona o około 3% bardziej wydajna. Eksploatacja pompy ciepła o jeden stopień chłodniejszej zwiększa jej wydajność o podobne wartości.
Tak więc, gdy analizujemy zapotrzebowanie na wężownice, które kontrolują komfort w pomieszczeniach, czy to w AHU, czy w przestrzeni, można je obsługiwać przy zoptymalizowanej temperaturze wody przez zdecydowaną większość czasu. W rzeczywistości ostatnie obliczenia AHU podłączonych do pomp ciepła pokazują, że temperatury wody można optymalizować przez ponad 95% czasu pracy, oszczędzając ponad 20% energii chłodzenia i ponad 30% energii ogrzewania. Dzieje się to po prostu poprzez bardziej inteligentne sterowanie systemem.
Ten typ kontroli wydajności zapewnia wysoki komfort w pomieszczeniu, a także przynosi korzyści energetyczne, redukując wahania temperatury i przeciągi w pomieszczeniu, pod warunkiem że jest odpowiednio kontrolowany.
Chłodzenie pasywne i swobodne
Jeśli w chłodziarce mamy dostępne chłodzenie swobodne, optymalizacja temperatury wody ma jeszcze większy wpływ na wydajność. Chłodzenie swobodne to takie, w którym obieg wody chłodzącej jest chłodzony bezpośrednio przez powietrze zewnętrzne, a nie przez obieg chłodzenia DX chłodziarki. Zazwyczaj pewne chłodzenie swobodne jest dostępne, gdy temperatura powietrza otoczenia jest o jeden stopień Celsjusza niższa od temperatury wody powrotnej. Ilość chłodzenia swobodnego wzrasta wraz ze wzrostem różnicy między temperaturą otoczenia a temperaturą wody, aż chłodziarka będzie w stanie zapewnić całe wymagane chłodzenie, korzystając z funkcji chłodzenia swobodnego. Z każdym stopniem, o który zwiększamy temperaturę wody chłodzącej, liczba godzin, w których możemy uzyskać chłodzenie swobodne, znacznie wzrasta, oszczędzając ogromne ilości energii.
Możemy również wykorzystać naturalne chłodzenie dostępne z gruntu, używając pompy ciepła/chłodziarki gruntowej. Systemy gruntowe zbierają ciepło niskiej jakości w ziemi za pomocą pętli płynu rurowego i mnożą je za pomocą pompy ciepła, aby wytwarzać efektywne i wydajne ogrzewanie naszych pomieszczeń. Wiele pomp ciepła może również działać w trybie chłodzenia, zapewniając wydajne chłodzenie poprzez odrzucanie ciepła do gruntu przez pętlę płynu gruntowego. Ten typ systemu doskonale nadaje się do pasywnego chłodzenia w sytuacji częściowego obciążenia, ominięcie pompy ciepła i chłodzenie systemu bezpośrednio za pomocą niższej temperatury gruntu to niezwykle wydajny sposób chłodzenia. Podobnie jak w przypadku chłodzenia swobodnego, optymalizacja temperatur wody w trybie częściowego obciążenia pozwala systemowi na pasywne chłodzenie przez maksymalny czas, oszczędzając najwięcej energii.
Kontrola i inteligencja
Aby to osiągnąć, potrzebujemy kontroli systemu, która może rozpoznać obciążenie wymagane w wężownicy(ach) i wykorzystać te informacje do odpowiedniej optymalizacji temperatur chłodziarki/pompy ciepła. Wymagana jest inteligencja wbudowana w chłodziarki, pompy ciepła, jednostki przetwarzania powietrza i jednostki pokojowe. Zrozumienie ograniczeń poszczególnych produktów jest niezbędne wraz z ich ograniczeniami roboczymi i wiedzą, kiedy nie należy optymalizować. Ponadto kontrola systemu wyższego poziomu musi skutecznie komunikować się między wszystkimi tymi częściami systemu. Poza tym oszczędności energii uzyskuje się, wykorzystując normalne części systemu, a nie inwestując w bardziej wydajny sprzęt, ale kontrolując to, co mamy, w bardziej inteligentny sposób.
Niezależnie od tego, czy systemy, z którymi pracujemy, są istniejącymi zainstalowanymi systemami w ramach projektu modernizacji, czy też nowymi rozwiązaniami wykorzystującymi najnowocześniejsze, wydajne nowe produkty, zasady dalszego oszczędzania energii w trybie pracy przy obciążeniu częściowym nadal mają zastosowanie jako skuteczny i zrównoważony sposób obniżania kosztów operacyjnych.
Czas publikacji: 26-kwi-2023
