Как оптимизировать системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, чтобы они соответствовали реальным условиям эксплуатации, экономили энергию и обеспечивали здоровую и комфортную среду для жителей здания?
Энергия внутри зданий
Энергосбережение — одна из важнейших тем для многих компаний строительной отрасли. Поскольку на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) приходится значительная доля энергопотребления в здании на протяжении всего срока службы, технологии, применяемые в зданиях, должны быть приоритетными в плане энергосбережения. Системы вентиляции, отопления и охлаждения становятся всё более эффективными благодаря законодательству и разработке новых технологий в компонентах. Однако, переходя к новым эффективным технологиям, необходимо обеспечить максимально эффективное использование существующих технологий.
Обычно системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) проектируются с учётом наихудших условий эксплуатации здания. Системы охлаждения рассчитаны на пиковые летние температуры и яркий солнечный свет, системы отопления — на самые холодные дни года, а системы вентиляции — на максимальную заполняемость. Это отлично подходит для проектирования устойчивых зданий, готовых к любым погодным условиям. Но так ли они используются?
Системы, рассчитанные на пиковые нагрузки, будут использоваться на этих проектных уровнях крайне редко, если вообще будут. Большую часть своего срока службы они будут работать с нагрузкой, составляющей лишь малую долю от проектной. Разница между пиковыми проектными нагрузками и реальными эксплуатационными нагрузками очень велика, и, как мы увидим, она только увеличивается.
Разрыв в нынешних и будущих показателях производительности
Два фактора приведут к тому, что разница между пиковыми расчетными и рабочими точками станет еще более существенной.
Сегодня здания используются более гибко, особенно в офисных и коммерческих целях, поскольку компаниям и сотрудникам предоставляется возможность гибкого графика работы. Система вентиляции и охлаждения офисного здания, рассчитанная на полную загрузку в 2020 году, вряд ли будет работать с такой же загрузкой в 2023 году и далее.
Глобальное потепление уже оказывает влияние на экстремальные погодные явления, и даже при существенном изменении факторов, способствующих этому, в будущем ожидается ещё больше экстремальных погодных явлений. Европа, вероятно, столкнётся с более жарким и сухим летом. Это в сочетании с эффектом городского острова тепла, усугубляющим летнюю температуру и высокую температуру в районах расположения множества офисов и коммерческих зданий, а также с учётом необходимости проектирования систем снижения температуры на уровне города и улиц, вероятно, приведёт к тому, что пиковые нагрузки, на которые рассчитаны системы зданий, будут ещё дальше отстоять от условий повседневной эксплуатации зданий.
Проектировщикам зданий приходится учитывать новый способ использования зданий, а также будущие риски экстремальных погодных условий в текущем проекте здания, будь то на этапе строительства или реконструкции.
Поиск эффективности в условиях разрыва в производительности
Когда система HVAC работает с частичной нагрузкой, она обычно работает эффективнее. Приточно-вытяжные установки (AHU), работающие на половинной скорости вентилятора, потребляют менее четверти потребляемой мощности. Чиллер или тепловой насос, работающий с частичной нагрузкой, максимально использует свой теплообменник, что позволяет ему работать с большей эффективностью. Однако позволяют ли это наши технологии?
Если мы можем контролировать наши центральные кондиционеры так, чтобы они подавали только тот объем воздуха, который необходим находящимся внутри здания людям, используя адаптивную вентиляцию (DCV), охлаждающие и нагревательные змеевики, рассчитанные на полную мощность, могут контролировать температуру свежего воздуха, потребляя гораздо меньше энергии.
Змеевики в фанкойлах или охлаждающих балках, обслуживающие внутренние помещения, не обязательно должны работать на полной нагрузке, поскольку эти устройства обычно выбираются для полной занятости и в пиковые летние или зимние периоды.
Затем нам нужно принять решение относительно змеевиков, которым не требуется полная мощность. Традиционно мы ограничиваем расход охлаждающей или нагревающей жидкости с помощью клапана. Это простой способ локального управления, стандартный практически для всех систем. Но если мы добавим интеллектуальности в соединение между чиллером/тепловым насосом и змеевиком, мы сможем дополнительно оптимизировать температуру жидкости, подаваемой в змеевик. Змеевик охлаждения, рассчитанный на использование воды температурой 6 градусов Цельсия при 100% мощности, не нуждается в такой температуре при 50% мощности.
Изменение температуры воды, подаваемой на теплообменники, необходимо для повышения эффективности работы чиллера/теплового насоса. Повышение температуры воды, поступающей из чиллера, на один градус повышает его эффективность примерно на 3%. Работа теплового насоса при пониженной температуре на один градус повышает его эффективность примерно на такую же величину.
Таким образом, анализируя потребность в энергии для теплообменников, регулирующих комфорт в помещениях, будь то в вентиляционной установке или в помещении, мы обнаруживаем, что они могут работать с оптимизированной температурой воды большую часть времени. Более того, недавние расчёты для вентиляционных установок, подключённых к тепловым насосам, показывают, что температуру воды можно оптимизировать более чем на 95% времени работы, экономя более 20% энергии на охлаждение и более 30% энергии на отопление. Это достигается просто благодаря более интеллектуальному управлению системой.
Такой тип регулирования мощности при правильном управлении обеспечивает высокий уровень комфорта в помещении, а также экономит электроэнергию, уменьшая перепады температур и сквозняки в помещении.
Пассивное и естественное охлаждение
Если в чиллере реализовано фрикулинг, оптимизация температуры воды оказывает ещё большее влияние на эффективность. Фрикулинг — это процесс, при котором охлаждающий контур охлаждающей воды охлаждается непосредственно наружным воздухом, а не за счёт использования контура охлаждения с прямым испарением (DX) чиллера. Обычно фрикулинг доступен, когда температура окружающего воздуха на один градус Цельсия ниже температуры обратной воды. Степень фрикулинга увеличивается с увеличением разницы между температурой окружающего воздуха и температурой воды, пока чиллер не сможет обеспечить всю необходимую мощность охлаждения, используя функцию фрикулинга. С каждым повышением температуры охлаждающей воды на один градус количество часов, в течение которых можно использовать фрикулинг, значительно увеличивается, что позволяет сэкономить огромное количество энергии.
Мы также можем использовать естественное охлаждение, получаемое от земли, при использовании геотермального теплового насоса/чиллер. Геотермальные системы собирают низкопотенциальное тепло из земли с помощью контура трубопровода с жидкостью и умножают его с помощью теплового насоса для производства эффективного и экономичного отопления наших помещений. Многие тепловые насосы также могут работать в режиме охлаждения, обеспечивая эффективное охлаждение за счет отвода тепла в землю через контур грунтовой жидкости. Этот тип системы идеально подходит для пассивного охлаждения в ситуации частичной нагрузки; обход теплового насоса и охлаждение системы напрямую с использованием более низкой температуры земли является чрезвычайно эффективным способом охлаждения. Как и в случае с естественным охлаждением, оптимизация температуры воды в режиме частичной нагрузки позволяет системе находиться в режиме пассивного охлаждения в течение максимального количества времени, экономя при этом большую часть энергии.
Контроль и разведка
Для этого нам необходима система управления, которая может распознавать требуемую нагрузку на теплообменник(и) и использовать эту информацию для соответствующей оптимизации температур чиллера/теплового насоса. Необходимы интеллектуальные функции, встроенные в чиллеры, тепловые насосы, воздухообрабатывающие агрегаты и комнатные блоки. Важно понимать ограничения отдельных устройств, их рабочие пределы и понимать, когда не следует проводить оптимизацию. Более того, система управления более высокого уровня должна обеспечивать эффективное взаимодействие между всеми этими компонентами системы. Кроме того, экономия энергии достигается за счёт использования стандартных компонентов системы, а не инвестиций в более эффективное оборудование, а более разумного управления имеющимся.
Независимо от того, являются ли системы, с которыми мы работаем, уже существующими установленными системами в рамках проекта реконструкции или новыми разработками с использованием новейших эффективных новых продуктов, принципы дополнительной экономии энергии при работе с частичной нагрузкой по-прежнему применимы как эффективный и устойчивый способ снижения эксплуатационных расходов.
Время публикации: 26 апреля 2023 г.
