W jaki sposób optymalizujemy systemy HVAC, aby odpowiadały rzeczywistemu użytkowaniu, oszczędzały energię i zapewniały zdrowe i komfortowe środowisko dla mieszkańców budynku?
Energia w budynkach
Oszczędność energii to jeden z najważniejszych tematów dla wielu firm z branży budowlanej. Ponieważ systemy HVAC stanowią znaczną część zużycia energii w budynkach w całym okresie ich eksploatacji, technologia stosowana w budynkach powinna być priorytetem w zakresie oszczędzania energii. Produkty do wentylacji, ogrzewania i chłodzenia stają się coraz bardziej wydajne, napędzane przepisami prawa i rozwojem nowych technologii w ich komponentach. Jednak dążąc do wdrażania nowych, wydajnych technologii, należy zadbać o to, aby istniejące technologie były wykorzystywane w sposób najbardziej inteligentny i efektywny.
Zazwyczaj systemy HVAC są projektowane z myślą o najgorszym scenariuszu użytkowania budynku. Systemy chłodzenia są projektowane z myślą o szczytowych temperaturach latem i intensywnym nasłonecznieniu, systemy ogrzewania są projektowane na najzimniejsze dni w roku, a systemy wentylacji bazują na maksymalnym poziomie obłożenia. To doskonałe rozwiązanie do projektowania odpornych budynków, gotowych na każdą sytuację. Ale czy tak właśnie się je wykorzystuje?
Systemy zaprojektowane z myślą o obciążeniach szczytowych będą bardzo rzadko, o ile w ogóle, wykorzystywane na tych poziomach projektowych. Przez większość swojego okresu eksploatacji będą pracować przy ułamku obciążenia projektowego. Ta różnica między szczytowymi obciążeniami projektowymi a rzeczywistymi obciążeniami eksploatacyjnymi jest bardzo duża i, jak zobaczymy, stale się powiększa.
Obecna i przyszła różnica w wynikach
Dwa czynniki spowodują, że różnica między punktami szczytowymi i roboczymi stanie się jeszcze większa.
Budynki są dziś wykorzystywane w bardziej elastyczny sposób, zwłaszcza w zastosowaniach biurowych i komercyjnych, ponieważ firmy i pracownicy mają możliwość elastycznej pracy. System wentylacji i chłodzenia budynku biurowego zaprojektowany z myślą o pełnym obłożeniu w roku 2020, rzadko będzie miał takie samo obłożenie w roku 2023 i później.
Globalne ocieplenie już teraz wpływa na ekstremalne zjawiska pogodowe i nawet przy znacznych zmianach czynników sprzyjających, w przyszłości spodziewane są kolejne ekstremalne zjawiska pogodowe. Europa prawdopodobnie będzie musiała zmierzyć się z cieplejszymi i suchszymi latami. W połączeniu z efektem miejskiej wyspy ciepła, który potęguje letnie temperatury i wysokie temperatury w obszarach, gdzie znajduje się wiele biur i budynków komercyjnych, a także z uwzględnieniem kwestii projektowania systemów ograniczających ciepło na poziomie miasta i ulic, prawdopodobnie oznacza to, że szczytowe obciążenia projektowane dla systemów budowlanych będą jeszcze bardziej oddalone od codziennej eksploatacji budynków.
Projektanci budynków muszą uwzględniać nowy sposób użytkowania budynków oraz przyszłe zagrożenia związane z ekstremalnymi warunkami pogodowymi w obecnych projektach budowlanych, zarówno na etapie budowy, jak i modernizacji.
Znalezienie efektywności w luce wydajnościowej
System HVAC pracuje z częściowym obciążeniem, zazwyczaj działa wydajniej. Centrale wentylacyjne (AHU) pracujące z połową prędkości wentylatora zużywają mniej niż jedną czwartą mocy wejściowej. Agregat chłodniczy lub pompa ciepła pracujące z częściowym obciążeniem maksymalnie wykorzystują wymiennik ciepła, aby umożliwić pracę z wyższą wydajnością. Czy jednak jest to możliwe dzięki dostępnej technologii?
Jeśli możemy sterować naszymi AHU tak, aby dostarczały tylko taką ilość powietrza, jakiej potrzebują osoby przebywające w budynku, korzystając z wentylacji sterowanej zapotrzebowaniem (DCV), wężownice chłodzące i grzewcze o pełnej wydajności mogą kontrolować temperaturę świeżego powietrza, zużywając znacznie mniej energii.
Wężownice w klimakonwektorach lub belkach chłodzących obsługujących pomieszczenia wewnętrzne również nie muszą pracować z pełnym obciążeniem, ponieważ jednostki te są zwykle wybierane przy pełnym obciążeniu oraz w szczytowych warunkach letnich lub zimowych.
Następnie musimy podjąć decyzję dotyczącą tych wężownic, które nie wymagają pełnej wydajności. Tradycyjnym rozwiązaniem byłoby zmniejszenie przepływu cieczy chłodzącej lub grzewczej za pomocą zaworu. To prosty sposób na lokalne sterowanie i jest standardem w niemal wszystkich systemach. Jeśli jednak dysponujemy nieco bardziej inteligentnym połączeniem między agregatem chłodniczym/pompą ciepła a wężownicą, możemy dodatkowo zoptymalizować temperaturę cieczy zasilającej wężownicę. Wężownica chłodząca zaprojektowana do pracy z wodą o temperaturze 6 stopni Celsjusza przy 100% wydajności nie wymaga takiej temperatury przy 50% wydajności.
Powodem zmiany temperatury wody w wężownicach jest zwiększenie wydajności agregatu chłodniczego/pompy ciepła. Podniesienie temperatury wody płynącej z agregatu chłodniczego o jeden stopień zwiększa jej wydajność o około 3%. Obniżenie temperatury pompy ciepła o jeden stopień zwiększa jej wydajność o podobną wartość.
Zatem, analizując zapotrzebowanie na energię z wężownic regulujących komfort w pomieszczeniach, zarówno w centrali wentylacyjnej, jak i w przestrzeni, można stwierdzić, że mogą one pracować przy zoptymalizowanej temperaturze wody przez zdecydowaną większość czasu. W rzeczywistości, najnowsze obliczenia central wentylacyjnych podłączonych do pomp ciepła pokazują, że temperaturę wody można zoptymalizować przez ponad 95% czasu pracy, oszczędzając ponad 20% energii chłodniczej i ponad 30% energii grzewczej. Dzieje się to dzięki inteligentniejszemu sterowaniu systemem.
Ten typ kontroli wydajności zapewnia nadal wysoki komfort w pomieszczeniu, a także korzyści energetyczne, redukując wahania temperatury i przeciągi w pomieszczeniu, jeśli jest odpowiednio kontrolowany.
Chłodzenie pasywne i swobodne
Jeśli w agregacie chłodniczym dostępna jest funkcja free-coolingu, optymalizacja temperatury wody ma jeszcze większy wpływ na wydajność. Free-cooling to chłodzenie, w którym obieg wody chłodzącej jest chłodzony bezpośrednio powietrzem zewnętrznym, a nie za pomocą obiegu chłodzenia DX agregatu chłodniczego. Zazwyczaj free-cooling jest dostępny, gdy temperatura powietrza otoczenia jest o jeden stopień Celsjusza niższa od temperatury wody powrotnej. Stopień free-coolingu wzrasta wraz ze wzrostem różnicy między temperaturą otoczenia a temperaturą wody, aż do momentu, gdy agregat chłodniczy będzie w stanie zapewnić pełne wymagane chłodzenie dzięki funkcji free-coolingu. Z każdym stopniem wzrostu temperatury wody chłodzącej, liczba godzin, w których możemy korzystać z free-coolingu, znacznie wzrasta, co pozwala zaoszczędzić ogromne ilości energii.
Możemy również wykorzystać naturalne chłodzenie gruntowe, stosując gruntową pompę ciepła/agregat chłodniczy. Systemy gruntowe gromadzą ciepło niskiej jakości w ziemi za pomocą pętli z płynem w rurach i powielają je za pomocą pompy ciepła, aby zapewnić efektywne i wydajne ogrzewanie naszych pomieszczeń. Wiele pomp ciepła może również pracować w trybie chłodzenia, zapewniając wydajne chłodzenie poprzez oddawanie ciepła do gruntu poprzez pętlę z płynem gruntowym. Ten typ systemu idealnie nadaje się do pasywnego chłodzenia w sytuacjach częściowego obciążenia. Pominięcie pompy ciepła i bezpośrednie chłodzenie systemu niższą temperaturą gruntu to niezwykle wydajny sposób chłodzenia. Podobnie jak w przypadku chłodzenia swobodnego, optymalizacja temperatury wody w trybie częściowego obciążenia pozwala systemowi pracować w trybie pasywnego chłodzenia przez maksymalny czas, oszczędzając najwięcej energii.
Kontrola i inteligencja
Aby to osiągnąć, potrzebujemy układu sterowania, który rozpoznaje obciążenie wymagane na wężownicy (wężownicach) i wykorzystuje te informacje do odpowiedniej optymalizacji temperatury agregatu chłodniczego/pompy ciepła. Wymagana jest inteligencja wbudowana w agregaty chłodnicze, pompy ciepła, centrale wentylacyjne i jednostki pomieszczeniowe. Zrozumienie ograniczeń poszczególnych produktów, ich limitów roboczych oraz wiedzy, kiedy nie należy optymalizować, jest niezbędne. Co więcej, układ sterowania wyższego poziomu musi skutecznie komunikować się między wszystkimi elementami systemu. Ponadto, oszczędności energii uzyskuje się poprzez wykorzystanie standardowych elementów systemu, a nie inwestowanie w bardziej wydajny sprzęt, a kontrolowanie tego, co mamy, w bardziej inteligentny sposób.
Niezależnie od tego, czy systemy, z którymi pracujemy, to istniejące zainstalowane systemy w ramach projektu modernizacji, czy też nowe rozwiązania wykorzystujące najnowocześniejsze, wydajne nowe produkty, zasady oszczędzania energii w trybie pracy przy częściowym obciążeniu nadal obowiązują jako skuteczny i zrównoważony sposób obniżania kosztów operacyjnych.
Czas publikacji: 26-04-2023
