Znaczne oszczędności energii, które kryją się w szczegółach

Jak zoptymalizować systemy HVAC, aby reagować na rzeczywiste zapotrzebowanie, oszczędzać energię, a jednocześnie zapewniać zdrowe i komfortowe środowisko dla użytkowników budynku?

Energia w budynkach

Oszczędzanie energii jest jednym z najważniejszych tematów dla wielu firm z branży budowlanej. Ponieważ systemy HVAC stanowią znaczną część zużycia energii w budynku przez cały okres jego użytkowania, technologia określona i stosowana w budynkach powinna znajdować się w czołówce sposobów oszczędzania energii. Produkty do wentylacji, ogrzewania i chłodzenia stają się coraz bardziej wydajne, napędzane przez prawodawstwo i rozwój nowych technologii w komponentach. Jednak wdrażając nowe, wydajniejsze rozwiązania, należy upewnić się, że istniejąca technologia jest wykorzystywana w najmądrzejszy i najbardziej efektywny sposób.

Zazwyczaj systemy HVAC są zaprojektowane z myślą o najgorszym przypadku wykorzystania budynku. Systemy chłodzenia są zaprojektowane na szczytowe letnie temperatury i jasne światło słoneczne, systemy grzewcze są zaprojektowane na najzimniejsze dni w roku, a systemy wentylacyjne są oparte na maksymalnym obłożeniu. Świetnie nadaje się to do projektowania odpornych budynków, gotowych na funkcjonowanie we wszystkich warunkach. Ale czy rzeczywiście budynki są użytkowane w ten sposób?

Systemy zaprojektowane do obciążeń szczytowych będą bardzo rzadko używane na tych poziomach projektowania, jeśli w ogóle. Przez większość swojego życia będą pracować przy ułamku obciążenia projektowego. Ta rozbieżność między szczytowymi obciążeniami projektowymi, a rzeczywistymi obciążeniami eksploatacyjnymi jest bardzo duża, i obecnie dysproporcja ta staje się coraz większa.

Obecna i przyszła luka w wynikach

Dwa czynniki spowodują, że różnica między szczytową konstrukcją a punktami roboczymi stanie się jeszcze bardziej ekstremalna.

Budynki są obecnie wykorzystywane w bardziej elastyczny sposób, szczególnie w zastosowaniach biurowych i komercyjnych, ponieważ firmom i pracownikom oferuje się możliwości elastycznej pracy. System wentylacji i chłodzenia budynku biurowego zaprojektowany z myślą o pełnym obłożeniu w 2020 r. rzadko będzie miał takie samo obłożenie w 2023 r. i później.

Globalne ocieplenie już ma wpływ na ekstremalne warunki pogodowe, a nawet przy znacznych zmianach czynników przyczyniających się do tego, w przyszłości spodziewane są bardziej ekstremalne zdarzenia pogodowe. Europa prawdopodobnie będzie musiała zmierzyć się z gorętszymi i bardziej suchymi latami. To w połączeniu z efektem miejskiej wyspy ciepła, łączącym temperaturę latem z wysokimi warunkami cieplnymi na obszarach, na których znajduje się wiele biur i budynków komercyjnych, a także rozważenie, w jaki sposób zaprojektować łagodzenie ciepła na poziomie miasta i ulicy, prawdopodobnie oznacza, że szczytowe obciążenia, dla których zaprojektowane są systemy budowlane, są jeszcze dalej od codziennej eksploatacji budynków.

Projektanci budynków muszą zintegrować nowy sposób użytkowania budynków, a także przyszłe zagrożenia związane z ekstremalnymi warunkami pogodowymi z bieżącym projektem budynku, zarówno na etapie rozwoju, jak i remontu.

Znajdowanie efektywności w lukach w wydajności

Gdy system HVAC działa przy częściowym obciążeniu, zwykle działa wydajniej. Centrale wentylacyjne (AHU) pracujące z połową prędkości wentylatora zużywają mniej niż jedną czwartą mocy wejściowej. Agregat chłodniczy lub pompa ciepła pracująca przy częściowym obciążeniu w pełni wykorzystuje swój wymiennik ciepła, aby umożliwić mu pracę z wyższą wydajnością.

Jeśli możemy kontrolować nasze centrale wentylacyjne w taki sposób, aby zapewnić tylko taką ilość powietrza, której potrzebujemy osobom wewnątrz budynku, za pomocą wentylacji sterowanej zapotrzebowaniem (DCV), wężownice chłodzące i grzewcze, które są dostosowane do pełnej wydajności, mogą kontrolować temperaturę świeżego powietrza przy użyciu znacznie mniejszej ilości energii.

Wężownice w klimakonwektorach lub belkach chłodzących, które obsługują pomieszczenia wewnętrzne, również nie muszą działać przy pełnym obciążeniu, ponieważ urządzenia te są zwykle wybierane do pracy przy pełnym obłożeniu, i w szczytowych warunkach letnich lub zimowych.

Musimy więc podjąć decyzję dotyczącą tych klimakonwektorów, które nie potrzebują pełnej wydajności. Tradycyjną ścieżką byłoby zmniejszenie przepływu cieczy chłodzącej lub grzewczej za pomocą zaworu. Jest to prosty sposób na lokalne sterowanie i jest standardem w prawie wszystkich systemach. Jeśli jednak dysponujemy nieco większymi możliwościami w połączeniu pomiędzy agregatem chłodniczym/pompą ciepła a wężownicą, możemy dodatkowo zoptymalizować temperaturę cieczy obsługującej wężownicę. Wężownica zaprojektowana do wykorzystania 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 agregatu chłodniczego/pompy ciepła. Zwiększenie temperatury wody płynącej z agregatu chłodniczego o 1 stopień zwiększa wydajność jego pracy o 3%. Z kolei zmniejszenie temperatury w pompie ciepła o 1 stopień, zwiększa jej wydajność o podobne wartości.

Tak więc, gdy analizujemy zapotrzebowanie ze strony wężownic, które kontrolują komfort w pomieszczeniach, czy to w centrali wentylacyjnej, czy w przestrzeni, mogą one pracować przy zoptymalizowanej temperaturze wody przez zdecydowaną większość czasu. W rzeczywistości ostatnie 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 tak po prostu poprzez bardziej inteligentne sterowanie systemem.

Ten rodzaj regulacji wydajności nadal zapewnia wysoki komfort pomieszczenia, a także korzyści energetyczne, zmniejszając wahania temperatury i przeciągi w pomieszczeniu, gdy są odpowiednio kontrolowane.

Chłodzenie pasywne i free-cooling

Jeśli w agregacie dostępny jest free-cooling, optymalizacja temperatury wody ma jeszcze większy wpływ na wydajność. Swobodne chłodzenie polega na tym, że obieg wody chłodzącej jest chłodzony bezpośrednio powietrzem zewnętrznym, a nie za pomocą obwodu 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 jest tym większy, im większa jest różnica między temperaturą otoczenia a temperaturą wody, aż agregat będzie w stanie zapewnić całe wymagane chłodzenie przy użyciu funkcji free-coolingu. Z każdym stopniem wzrostu temperatury wody chłodzącej znacznie wzrasta liczba godzin, przez które możemy uzyskać free-cooling, oszczędzając ogromne ilości energii.

Możemy również korzystać z naturalnego chłodzenia dostępnego z gruntu podczas użytkowania gruntowej pompy ciepła/chłodziarki. Systemy źródła gruntowego zbierają ciepło niskiej jakości w ziemi za pomocą pętli płynu rurowego i powielają je za pomocą pompy ciepła, aby zapewnić skuteczne i wydajne ogrzewanie naszych pomieszczeń. Wiele pomp ciepła może również działać w trybie chłodzenia, zapewniając wydajne chłodzenie poprzez oddawanie ciepła do gruntu, za pomocą pętli płynu gruntowego. Ten typ systemu doskonale nadaje się do pasywnego chłodzenia przy częściowym obciążeniu, z pominięciem pompy ciepła i bezpośrednim chłodzeniem systemu przy użyciu niższej temperatury gruntu, co jest niezwykle wydajnym sposobem chłodzenia. Podobnie jak w przypadku free-coolingu, optymalizacja temperatury wody przy częściowym obciążeniu pozwala systemowi pracować w trybie chłodzenia pasywnego przez maksymalny czas, oszczędzając najwięcej energii.

Kontrola i inteligencja

Aby to osiągnąć, musimy mieć kontrolę systemu, która może rozpoznać wymagane obciążenie w cewce (wężownicach) i wykorzystać te informacje do odpowiedniej optymalizacji temperatury agregatu chłodniczego / pompy ciepła. Wymagane są inteligentne funkcje, wbudowane w agregaty chłodnicze, pompy ciepła, centrale wentylacyjne i jednostki pokojowe. Niezbędne jest zrozumienie ograniczeń poszczególnych produktów, a także ich limitów pracy i wiedza o tym, kiedy nie należy korzystać z optymalizacji. Co więcej, kontrola systemu wyższego poziomu musi skutecznie komunikować się między wszystkimi tymi częściami systemu. Poza tym oszczędności energii osiąga się dzięki zastosowaniu normalnych części systemu, nie inwestując w szczególności w bardziej wydajny sprzęt, ale kontrolując to, co już mamy, w bardziej inteligentny sposób.

Niezależnie od tego, czy systemy, z którymi pracujemy, są istniejącymi zainstalowanymi systemami w ramach projektu modernizacji, czy nowym projektem wykorzystującym najnowocześniejsze i najbardziej wydajne rozwiązania, zasady dalszego oszczędzania energii podczas pracy z częściowym obciążeniem nadal obowiązują jako skuteczny i zrównoważony sposób obniżania kosztów operacyjnych.

Dowiedz się więcej o naszych systemach optymalizacji Swegon i przeczytaj więcej o efektywności energetycznej w dziedzinie HVAC.