Project Island – projekt instalacji sanitarnych w budynku stacji meteorologicznej w Chile

Zadaniem studentów było zaprojektowanie trzech koncepcji projektu instalacji HVAC dla budynku stacji meteorologicznej. Projekt zrealizowano zgodnie z amerykańskimi standardami projektowania, w szczególności 90.1, 62.1 oraz 55.1.

Finalnym celem pracy był wybór optymalnego rozwiązania na podstawie wielokryterialnej analizy uwzględniającej koszty cyklu życia systemów w ciągu 50 lat. Zakres opracowania obejmował projekt instalacji ogrzewania (wraz z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej), wentylacji, klimatyzacji. Projekt nie obejmował instalacji wodociągowej i kanalizacyjnej.

Do zakresu projektu nie należała również ingerencja w bryłę budynku – na przykład dobór izolacji przegród budowlanych czy wybór orientacji budynku.

Czytaj też: Możliwości osiągnięcia niezależności energetycznej budynków mieszkalnych w Polsce >>>

Głównymi celami projektowymi były:

• niski koszt cyklu życia,
• niewielki wpływ na środowisko naturalne,
• komfort i zdrowie użytkowników,
• zachowanie wysokiej sprawności energetycznej,
• współgranie z architekturą.

Charakterystyka obiektu

Budynek objęty opracowaniem to nowo projektowana stacja meteorologiczna. Jest to obiekt jednokondygnacyjny (z antresolą), niepodpiwniczony, o powierzchni ok. 2092 m².

• W budynku znajdują się kwatery mieszkalne dla ośmiu pracowników stacji, pomieszczenie biurowe, pomieszczenia cichej pracy oraz sala konferencyjna.
• Dodatkowo znajdują się tam serwerownia oraz duża hala serwisowa przeznaczona do naprawiania samochodów (i testowania ich silników), a także myjnia samochodowa i garaż.

Pomimo że w rzeczywistości wyspy Diego Ramirez są niezaludnione i brakuje na nich infrastruktury, na potrzeby konkursu konieczne było przyjęcie założenia, że dostępna jest sieć elektroenergetyczna, gazowa, wodociągowa i kanalizacyjna. Klimat wysp można określić jako łagodny – temperatura powietrza w ciągu roku osiąga umiarkowane, niewysokie wartości.

Różnica wartości temperatury w poszczególnych miesiącach jest na tyle niska, że trudno jednoznacznie wyodrębnić pory roku. Przez cały rok wieje tam wiatr, co daje możliwość wykorzystania energetyki wiatrowej. Ze względu na położenie (duża szerokość geograficzna) oraz znaczne zachmurzenie w ciągu roku wartość promieniowania słonecznego jest tam relatywnie niska.

Modelowanie komputerowe

Model budynku stworzono w programie Integrated Environmental Solutions Virtual Environment (IES VE), wykonano też analizę godzinową funkcjonowania budynku wraz z instalacjami. Część obliczeń przeprowadzono również w programie Microsoft Excel.

W celu wykonania potrzebnych analiz uwzględniono dane meteorologiczne w postaci typowego roku meteorologicznego. Wykorzystano 8760 rekordów danych odpowiadających każdej godzinie roku.

System baseline

Pojęcie systemu baseline odnosi się do podstawowego rozwiązania dla danego budynku, które może być zastosowane zgodnie z wymaganiami norm i standardów.

System baseline traktuje się jako punkt odniesienia w celu porównania alternatywnych rozwiązań. Należy dokonać analizy koncepcji przy takich samych warunkach założeniowych. Czynnikiem odróżniającym rozważane rozwiązania powinny być jedynie systemy instalacji sanitarnych.

Zgodnie ze standardem 90.1 wybrano system baseline wykorzystujący ogrzewanie powietrzne, w którym źródłem ciepła jest kocioł z palnikiem gazowym.

• Płomień palnika bezpośrednio ogrzewa powietrze zewnętrzne, które po obróbce ogrzewa pomieszczenia budynku.
• Po bezpośrednim ogrzaniu przez palnik gazowy powietrze jest nawilżane, do tego celu zastosowano gazowy nawilżacz parowy.
• Powietrze dostarczane jest w trybie stałoobjętościowym.

Wraz z systemem ogrzewania rozpatrywano także instalację przygotowującą ciepłą wodę użytkową – przewidziano gazowy pojemnościowy podgrzewacz c.w.u.

Koncepcja 1: pompa ciepła woda/woda z wymiennikiem w oceanie (WSHP)

• Lokalizacja budynku na wyspie położonej na Oceanie Spokojnym wiąże się z możliwością wykorzystania wody morskiej jako źródła energii dla pompy ciepła.
• Głównym założeniem jest wykorzystanie sprężarkowej pompy ciepła typu woda/woda z wymiennikiem ciepła zanurzonym w oceanie.
• Dodatkowym źródłem ciepła dla systemu jest serwerownia – zastosowano odzysk ciepła z systemu chłodzącego serwery pracujące w budynku. Sprężarka pompy ciepła napędzana jest przez prąd elektryczny.
• Zapotrzebowanie na energię elektryczną budynku będzie pokryte przez system turbin wiatrowych i paneli fotowoltaicznych wspieranych przez prąd z sieci elektroenergetycznej w chwilach szczytowego zapotrzebowania.
• Warunki pogodowe panujące na wyspie umożliwiają efektywne zastosowanie turbin wiatrowych.
• Prąd generowany przez turbiny przeznaczony jest do zasilania systemu pomp ciepła ogrzewających budynek, a także sprzętów elektrycznych w obiekcie.
• Dodatkowo przewidziano działanie systemu paneli fotowoltaicznych produkujących prąd elektryczny. Pozwala to na jeszcze większe ograniczenie zużycia energii pierwotnej, co zmniejsza wpływ na środowisko i obniża koszty działania systemu.

Ponieważ ilość produkowanej odnawialnej energii elektrycznej jest niejednostajna i niezwiązana z aktualnym zapotrzebowaniem budynku, zastosowano akumulację energii. W momentach produkcji ilości przewyższającej zapotrzebowanie budynku istnieje możliwość zakumulowania nadwyżki energii w celu jej późniejszego wykorzystania, na przykład w momencie szczytowego zapotrzebowania. Technologia ta daje również możliwość korzystania z energii z sieci tylko w okresach niższych cen prądu, magazynowania jej w akumulatorze i zużycia w momencie, kiedy zapotrzebowanie budynku okaże się wysokie.

Energia pochodząca ze źródeł odnawialnych stanowi ok. 60% całkowitego zapotrzebowania energetycznego budynku. Dzięki temu zużycie energii pierwotnej wytwarzanej z wykorzystaniem paliw kopalnych znacznie spada. Pozwala to także na redukcję emisji gazów cieplarnianych, szczególnie CO2.

Natomiast poważną wadą tego rozwiązania jest duża ilość wykorzystanych czynników chłodniczych w obiegu pompy ciepła.

Problemem jest utrzymanie wymiennika ciepła zanurzonego w wodzie w stanie prawidłowego funkcjonowania – istnieje ryzyko zarastania jego powierzchni przez żywe organizmy wodne. Stwarza to potrzebę regularnej konserwacji urządzenia w celu zapewnienia ciągłości działania.

Koncepcja 2: hybryda gazowej pompy ciepła i kotła kondensacyjnego (GHP & CB)

Głównym elementem systemu jest urządzenie hybrydowe będące połączeniem gazowej pompy ciepła i kotła kondensacyjnego, wykorzystujące gaz ziemny dostępny z sieci. W zależności od warunków zewnętrznych urządzenie wybiera najbardziej ekonomiczny tryb pracy i działa jako samodzielna pompa ciepła, pompa współpracująca z kotłem lub samodzielny kocioł gazowy.

• W systemie tym pracuje gazowa pompa ciepła typu powietrze/woda.
• Ciepło dostarczane jest do pomieszczeń przez system ogrzewania podłogowego.
• Jednostka centralna pokrywa także zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania powietrza wentylacyjnego oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Użytkownik urządzenia może wybrać jeden z dwóch trybów sterowania – ekonomiczny bądź ekologiczny.

• W trybie ekonomicznym wybór aktywnego modułu zależy od finansowej opłacalności i kosztów energii.
• Natomiast w trybie ekologicznym najistotniejsza jest aktualna emisja CO₂ do atmosfery – uruchamiany jest ten moduł, który emituje mniejsze ilości.

W przypadku wysp Diego Ramirez podstawowym trybem pracy urządzenia jest samodzielna praca pompy ciepła. Klimat na wyspie jest umiarkowany, temperatura powietrza nie osiąga skrajnie niskich wartości. Takie warunki pozwalają na bardzo wydajne użytkowanie pompy ciepła.

Na podstawie wartości temperatury powietrza oszacowano, że pompa ciepła pracuje w samodzielnym trybie przez ok. 65% roku. W pozostałej części roku pompa i kocioł pracują razem.

Podstawową wadą powyższej koncepcji jest szerokie wykorzystanie paliw kopalnych do ogrzewania budynku. Wiąże się to zarówno z wyższym kosztem eksploatacyjnym, jak i zwiększoną emisją CO2.

Udział energii odnawialnej w tym rozwiązaniu jest stosunkowo niski – wykorzystywane są jedynie panele fotowoltaiczne pokrywające zapotrzebowanie budynku na energię elektryczną do zasilania urządzeń.

Podobnie jak w przypadku poprzedniej koncepcji, wykorzystywany jest tutaj czynnik chłodniczy.

Jednak koncepcja ta ma również zalety. Energia pierwotna zużywana jest w najbardziej efektywny energetycznie sposób, a system potrafi dynamicznie dostosować parametry pracy do aktualnych warunków.

Dzięki połączeniu pracy dwóch osobnych urządzeń wydłuża się przewidywany okres eksploatacji całej jednostki.

Największą zaletą systemu jest jego bezawaryjność. Urządzenia takie jak pompa ciepła czy kocioł gazowy wykorzystują dobrze znane technologie. Struktura systemu jest prosta i żaden jego element nie wymaga szczególnie skomplikowanej konserwacji.

Koncepcja 3: ogrzewanie elektryczne z wykorzystaniem turbin wiatrowych (WERH)

W systemie tym zrezygnowano z instalacji wodnych i zastosowano ogrzewanie elektryczne.

Źródłem prądu do ogrzania budynku, ciepłej wody użytkowej oraz nawiewanego powietrza są turbiny wiatrowe, a więc wykorzystywana jest energia odnawialna.

W przypadkach zwiększonego zapotrzebowania budynku na energię używany jest także prąd dostępny z sieci elektroenergetycznej, co nadal pozostaje opłacalnym rozwiązaniem. Natomiast gdy produkcja energii przewyższa zapotrzebowanie, istnieje możliwość odsprzedania nadwyżki energii do sieci.

W celu doprowadzenia ciepła bezpośrednio do ogrzewanych pomieszczeń zastosowano ścienne panele promieniujące.

Wadą tego rozwiązania jest wysoki koszt inwestycyjny systemu oraz hałas. Należy umieścić turbiny w odpowiedniej odległości od budynku, aby zminimalizować dyskomfort akustyczny.

Inną wadą jest duży rozmiar turbin, które mocno ingerują w krajobraz.

Główną zaletą systemu jest duży udział odnawialnych źródeł energii. Obniża to emisję CO2 do atmosfery i zapewnia niski koszt eksploatacyjny. System ten nie zakłada wykorzystania żadnych czynników chłodniczych oprócz czynnika stosowanego do chłodzenia serwerów w pomieszczeniu Data Center, jest to jednak stosunkowo niewielka ilość, a sam czynnik jest przyjazny dla środowiska.

Rozwiązanie byłoby jeszcze bardziej korzystne, gdyby możliwe było zwiększenie izolacyjności przegród.

Stosowanie ogrzewania elektrycznego sprawdza się najlepiej w przypadku budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię i odpowiedniej izolacji.

Wentylacja i usuwanie spalin

W trzech alternatywnych koncepcjach skupiono się na wyborze systemu ogrzewania budynku. Jednocześnie założono istnienie takiego samego systemu wentylacji mechanicznej w każdym z trzech wariantów.

Zaprojektowano dwa oddzielne scentralizowane systemy wentylacji mechanicznej.

• Pierwszy system będzie obsługiwał pomieszczenia mieszkalno-biurowe. Temperatura nawiewu wynosi w tym wypadku 21°C przez cały rok.
  Przewidziano zastosowanie krzyżowego płytowego wymiennika ciepła.
  Powietrze ma być nawilżane nawilżaczem parowym.
  Dla większości pomieszczeń przewidziano nawiewanie stałej ilości powietrza, jednak w związku ze znacznie zmieniającą się wartością zysków ciepła w niektórych pomieszczeniach zaimplementowano system zmiennoprzepływowy DCV (ang. Demand Control Ventilation).
  Powietrze ma być rozprowadzane przez system kanałów tekstylnych. Kanały te wykonane są z tkaniny przepuszczającej powietrze. Pełnią funkcję zarówno kanału rozdzielającego powietrze, jak i nawiewnika.
  Powietrze wydostaje się do pomieszczenia w równomierny sposób przez całą powierzchnię kanału.
• Drugi system odpowiada za wentylację pomieszczeń, w których trzymane są samochody.
  Wartość temperatury wewnętrznej w pomieszczeniach tego typu powinna być nie mniejsza niż 4°C i na tej podstawie przyjęto temperaturę nawiewu.
  Zgodnie z wytycznymi inwestora projektu zakłada się, że w hali będą testowane silniki samochodowe typu diesel. Testy mają się odbywać dwa razy w tygodniu przez 45 minut. Spaliny z takiego urządzenia zawierają tlenek węgla, tlenki azotu, węglowodory czy też lotne związki organiczne (VOC).
  Przyjęto, że w pomieszczeniach umieszczone zostaną czujniki stężenia CO, a wywiew wraz z nawiewem uruchamiane będą w momencie przekroczenia dopuszczalnego poziomu tego stężenia.
  Równocześnie konieczne jest zastosowane bezpośredniego wywiewu spalin z testowanych pojazdów poprzez przewody typu flex zamocowane do przewodów wydechowych.

Data Center

Zastosowano technologię dwufazowego chłodzenia zanurzeniowego. Serwery są bezpośrednio zanurzone w płynie chłodniczym 3MTM NovecTM 7100 Engineered Fluid i umieszczone w zbiornikach, w których panuje ciśnienie atmosferyczne.

Serwery, wydzielając ciepło, sprawiają, że płyn chłodniczy wrze i odparowuje w temperaturze 61°C.

Płyn w fazie gazowej unosi się zgodnie z prawami konwekcji i dociera do skraplacza umieszczonego w górze zbiornika. Tam oddaje ciepło i ulega skropleniu, powracając do ciekłego stanu skupienia, a obieg się powtarza.

Czynnik chłodniczy wykorzystany w powyższym rozwiązaniu jest przyjazny środowisku naturalnemu. Należy do grupy wodorofluoro­eterów. Ma zerowy potencjał ODP, a uwolniony do atmosfery unosi się w niej nie dłużej niż przez dwa tygodnie. Ze względu na wysoką masę cząsteczkową szybko opada na grunt, zamiast unosić się w atmosferze. Dzięki temu przyjmuje się, że nie ma on wpływu na efekt cieplarniany. Dodatkowo płyn jest nietoksyczny.

Zastosowane rozwiązanie pozwala na zaniechanie utrzymywania restrykcyjnych parametrów środowiska wewnętrznego w pomieszczeniu serwerowni.

Założono, że w pomieszczeniu będzie utrzymywana temperatura 21°C.

System ten zajmuje niewiele przestrzeni i umożliwia gęstsze rozmieszczenie jednostek serwera. Charakteryzuje się także dużą wydajnością energetyczną. Zastosowana technologia chłodzenia zanurzeniowego pozwala na uzyskanie wartości PUE równej nawet 1,02.

Wybór optymalnego systemu

W celu wybrania optymalnego rozwiązania obliczono koszty trzech opcji w ciągu 50-letniego okresu życia budynku i porównano z systemem baseline.

Porównano zarówno całościowe wyniki po 50 latach użytkowania, jak i poszczególne składowe wartości.

• System WSHP ma najwyższy koszt inwestycyjny, a GHP&CB na początku cyklu życia kosztuje najmniej.
• System WERH ma najwyższy koszt wymiany urządzeń, ponieważ zastosowane w nim turbiny wiatrowe są kosztowne. Największą dysproporcję widać w przypadku kosztów eksploatacyjnych – system GHP&CB jest zdecydowanie droższy od pozostałych, ponieważ ma najmniejszy udział taniej energii odnawialnej.

System WERH ma najniższy koszt całego cyklu życia. Pozostałe dwa systemy są droższe, mają bardzo zbliżony koszt, jednak WSHP jest nieznacznie tańszy od GHB&CB. Najdroższy oczywiście okazał się system baseline.

Proponowane rozwiązania poddano ocenie według systemu LEED w najbardziej aktualnej wersji v4. Zastosowano jedynie te kategorie, które odnosiły się do zakresu opracowania projektu.

Najwięcej punktów otrzymał system WERH, dzięki punktom zdobytym w kategorii „Optimize Energy Performance”, która odpowiada za zredukowanie kosztów energii zużywanej w budynku.

Ostateczny wybór zależał od kryteriów ustalonych samodzielnie przez drużynę. Każdemu systemowi przydzielano punkty w kategoriach o różnych wagach.

Wybrany system

Zdecydowano, że system WERH (ogrzewanie elektryczne wykorzystujące prąd generowany przez turbiny wiatrowe) jest optymalnym rozwiązaniem dla rozpatrywanego budynku stacji meteorologicznej. Rozwiązanie to zdobyło największą liczbę punktów zarówno w ocenie według systemu LEED, jak i w wielokryterialnej analizie obejmującej kategorie stworzone na potrzeby projektu.

System ten pozwala osiągnąć największe oszczędności finansowe – rzędu 37%. Jest tańszy od systemu baseline o 622 303 dol., a od systemów WSHP i GHP&CB o odpowiednio 180 336 i 225 500 dol.

Rozwiązanie to spełnia wszelkie wymagania projektowe. Ma najniższy koszt cyklu życia ze wszystkich trzech opcji. Komfort środowiska wewnętrznego jest utrzymywany przez cały czas.

System spełnia warunki zrównoważonego budownictwa – jest wydajny energetycznie, niskoemisyjny i przyjazny środowisku. Opiera się głównie na wykorzystaniu OZE – energii elektrycznej uzyskiwanej z wiatru i słońca.

System ten nie zakłada wykorzystania żadnych szkodliwych dla środowiska czynników chłodniczych. Wszystko to czyni go rozwiązaniem najbardziej odpowiednim.

Podsumowanie

Dzięki zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań udało się spełnić wymagane warunki projektowe. Stosowanie odnawialnych źródeł energii pozwala na utrzymanie niskich kosztów eksploatacji systemu i redukuje jego wpływ na środowisko naturalne. Wiąże się to ze zwiększeniem kosztów początkowych inwestycji, ale w przyszłości następuje zwrot kosztów. Nasuwa się zatem wniosek, że warto inwestować w nowoczesne, zrównoważone i wysokosprawne technologie.

Przeprowadzona analiza trzech alternatywnych koncepcji wykazała, że różnice pomiędzy funkcjonowaniem systemów, z których hipotetycznie każdy jest odpowiedni do wdrożenia, są na tyle znaczące, że warto zestawić i porównać ich właściwości.

Istotne jest analogiczne przeprowadzanie analizy typu benchmarking w procesach projektowych, aby mieć pewność, że stosuje się najlepsze możliwe opcje.

Jednym z najważniejszych elementów projektu było wykorzystanie zaawansowanego programu symulacyjnego. Technologia BIM pozwoliła na poparcie projektu systemów dogłębną analizą ich funkcjonowania, w szybkim tempie, a równocześnie z dużą dokładnością.

Projekt do wglądu na stronie ASHRAE: https:// www.ashrae.org/membership--conferences/student-zone/design-competition/student-design-competition

Literatura

1. ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1-2016 – Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings.
2. ANSI/ASHRAE Standard 55-2013 – Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
3. ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2016 – Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.
4. ASHRAE Standard 15-2013 – Safety Standard for Refrigeration Systems.
5. ASHRAE Standard 34-2013 – Designation and Safety Classification of Refrigerants.
6. ASNSI/ASHRAE/USGBC/IES Standard 189.1-2014 – Standard for the Design of high-Performance Green Buildings.
7. ASHRAE GreenGuide – The Design, Construction, and Operation of Sustainable Buildings, 2nd edition.
8. ASHRAE Advanced Energy Design Guide for Small to Medium Office Buildings.
9. CEN-EN 15459-2007 – Energy Performance of Buildings – Economic Evaluation Procedure for Energy Systems in Buildings.
10. 2016 ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment.
11. 2015 ASHRAE Handbook – HVAC Applications.
12. 2014 ASHRAE Handbook – Refrigeration.
13. 2013 ASHRAE Handbook – Fundamentals LEED v4 for Building Design and Construction.