Metody obniżania strat energetycznych i kosztów wentylacji mechanicznej i klimatyzacji (cz. 1)

Już na etapie projektowania powinno się opracować koncepcję zapewniającą minimalizację kosztów eksploatacyjnych, w tym kosztów energetycznych, jakie będzie ponosił użytkownik instalacji.

Minimalizowanie kosztów eksploatacyjnych w niektórych obiektach o specjalnym przeznaczeniu, np. w szpitalach, powinno być prowadzone w sposób rozważny. Nie wszystkie działania oszczędnościowe mogą się ostatecznie okazać ekonomicznie uzasadnione, np. wyłączanie instalacji wentylacji – klimatyzacji sal operacyjnych w okresach przerw między zabiegami może być przyczyną pogorszenia stanu higienicznego pomieszczeń, zwiększenia liczby zakażeń, co z kolei zwiększa koszty leczenia.

Koszty energetyczne obejmują:

• zużycie energii cieplnej przeznaczonej na ogrzewanie powietrza,
• zużycie energii elektrycznej przeznaczonej na zapewnienie ruchu instalacji (napęd wentylatorów, siłowników, pomp, automatyki, a także energii wykorzystanej w układach chłodniczych do chłodzenia powietrza, np. na wytworzenie i dostarczenie wody „lodowej” oraz wytworzenie pary wodnej lub kropel wody do nawilżania powietrza). Energia elektryczna jest także niezbędna do zasilania nagrzewnic elektrycznych, jeżeli znajdują one zastosowanie.

Energia cieplna jako jeden z najważniejszych (obok energii elektrycznej) składników ma decydujący wpływ na koszty działania układów wentylacji i klimatyzacji. Zużycie energii cieplnej w tych układach jest powiązane z ogrzewaniem powietrza dostarczanego do pomieszczeń. Centrale o dużym wydatku zużywają znacznie większe ilości ciepła technologicznego, a zapewnienie odpowiedniej temperatury w pomieszczeniach to jeden z najważniejszych elementów poczucia komfortu.

Energia elektryczna jest konieczna do zapewnienia działania układów wentylacji i klimatyzacji. Znaczne jej ilości zostają spożytkowane w silnikach elektrycznych napędzających wentylatory, a także w układach chłodzenia. W okresie letnim koszty związane ze zużyciem energii elektrycznej są na ogół wyższe, co wynika z konieczności chłodzenia powietrza, a także zwiększenia ilości powietrza dostarczanego do pomieszczeń w celu zapewnienia użytkownikom poczucia komfortu.

W przypadku stosowania nagrzewnic elektrycznych w centralach wentylacyjnych również w okresie zimowym zauważalny jest wzrost zużycia energii. Najmniej kosztowne okazują się miesiące wiosenne i jesienne, w których nie odnotowuje się upałów oraz mrozów.

W przypadku złożonych systemów klimatyzacji i wentylacji o stosunkowo dużych mocach istotna dla finansów jest tzw. moc zamówiona wpływająca na koszty stałe energii.

Niestety, zbyt niskie wartości mocy zamówionej lub nieumiejętnie prowadzona eksploatacja może powodować jej przekroczenia w okresach szczytowego zapotrzebowania na energię. Rozruch central klimatyzacyjnych i wentylacyjnych nie powinien się odbywać jednocześnie, nawet po chwilowym zaniku napięcia, dzięki temu unika się chwilowych przeciążeń instalacji elektrycznej [2].

Limitowanie mocy cieplnej instalacji klimatyzacji i wentylacji poprzez obniżanie parametrów instalacji ciepła technologicznego, głównie w okresie zimowym, jest niemożliwe z uwagi na bardzo dużą wrażliwość układów ogrzewania przepływającego powietrza na obniżenie parametrów zasilania.

Temperatura wody zasilającej nagrzewnice wodne powinna być dostosowana do potrzeb energetycznych instalacji, w przeciwnym wypadku dochodzi do jej szybkiego wychłodzenia i wyłączenia przez automatykę przeciwzamrożeniową.

Limitowanie mocy bez większych problemów można stosować w instalacjach centralnego ogrzewania i w ograniczonym zakresie w instalacjach ciepłej wody użytkowej z zasobnikami ciepła. Jest to związane z dużą bezwładnością cieplną budynków i zasobników ciepła w instalacjach c.w.u. (rys. 1) [3].

Limitowanie mocy instalacji w okresach szczytów poprzez obniżanie parametrów zasilania lub wyłączanie fragmentów instalacji możliwe jest dzięki zastosowaniu zaawansowanych systemów automatyki.

Ograniczanie zużycia energii zużywanej przez systemy klimatyzacji i wentylacji jest możliwe pod warunkiem, że instalacje te są odpowiednio wyposażone. Jednocześnie bardzo istotna jest wiedza, świadomość oraz inicjatywa eksploatatora.

W ograniczaniu zużycia energii przez systemy wentylacji i klimatyzacji znajdują zastosowanie wymienniki ciepła, układy automatycznej regulacji i sterowania, a także recyrkulacja powietrza. Niejednokrotnie znaczne oszczędności przynosi właściwa organizacja czasu pracy i wydajności urządzeń.

Utrzymanie instalacji w odpowiednim stanie technicznym podczas eksploatacji

Podczas eksploatacji należy dbać o właściwy stan techniczny elementów wchodzących w skład instalacji, m.in. czystość filtrów, odpowiednie napięcie pasów klinowych w układzie napędowym wentylatorów, utrzymanie właściwego stanu izolacji termicznej.

Suma wszystkich oporów w jednym systemie przewodów powietrznych określa charakterystykę instalacji (rys. 2). Zabrudzenie filtra powietrza powoduje spadek ciśnienia i tym samym zmianę charakterystyki instalacji (rys. 3). W takiej sytuacji, jeżeli charakterystyka wentylatora jest płaska, następuje znacznie większe obniżenie natężenia przepływu niż w przypadku wentylatorów o charakterystyce stromej.

Straty energetyczne w instalacjach klimatyzacji i wentylacji powstają podczas przetłaczania powietrza na skutek zbyt dużych oporów przepływu. Skutkiem zwiększonych oporów przepływu powietrza przez instalację jest zwiększenie zużycia energii elektrycznej koniecznej na jego przetłoczenie.

Opory powstają w wyniku tarcia przepływającego powietrza o ścianki przewodów oraz na skutek zmian kierunku przepływu. Są to tzw. straty liniowe i miejscowe, stąd też już na etapie projektowania instalacji konieczne jest odpowiednie dobranie elementów konstrukcyjnych (wentylatorów) do zapotrzebowania pomieszczeń na powietrze wentylacyjne.

Podczas eksploatacji, w prawidłowo zaprojektowanej i wykonanej instalacji, istotne znaczenie z punktu widzenia oporów przepływu mają filtry. Zanieczyszczenie filtrów może spowodować nawet dwukrotne przekroczenie wartości oporu, który występuje dla filtrów czystych. Utrzymanie stałego przepływu powietrza przy większych oporach wymaga większego zużycia energii elektrycznej. Obniżenie przepływu na skutek zabrudzenia filtrów wpływa na obniżenie standardu higienicznego wentylowanego pomieszczenia.

Przyczyną zwiększonych oporów instalacji są także przepustnice regulacyjne, które przy przewymiarowaniu wydatku wentylatorów są przyczyną znacznych strat energetycznych. W przypadku znacznego przewymiarowania wydatku wentylatora ilość przepływającego w instalacji powietrza należy ograniczać poprzez obniżenie prędkości obrotowej wentylatora, co można zrealizować np. przez zmianę przełożenia przekładni pasowej.

Utrzymywanie możliwie niskiego ciśnienia w przewodach wentylacyjnych oraz zapewnienie szczelności instalacji klimatyzacji i wentylacji to kolejne kroki mające na celu obniżanie strat energetycznych, a tym samym i kosztów eksploatacyjnych.

Należy pamiętać, że nadmierne ciśnienie w instalacji wentylacyjnej wymaga większego wkładu energii elektrycznej niezbędnej do napędu wentylatorów. Jednocześnie zwiększenie ciśnienia w instalacji powoduje również, że powietrze uchodzi intensywniej przez wszelkie nieszczelności. Zmniejszenie oporów przepływu oraz likwidacja nieszczelności to w konsekwencji możliwość zastosowania mniejszych wentylatorów.

Automatyczna regulacja systemu klimatyzacji i wentylacji

We współczesnych rozwiązaniach systemów klimatyzacji i wentylacji powszechne zastosowanie znajdują układy automatycznej regulacji i sterowania. Zastosowanie automatyki umożliwia utrzymywanie parametrów w pomieszczeniu w zależności od aktualnych potrzeb, dzięki czemu unika się sytuacji niekorzystnych energetycznie, takich jak np. przegrzewanie pomieszczeń.

Niestety, zdarza się również dość często, że użytkownik wyposażony w odpowiednie urządzenia i oprogramowanie nieumiejętnie prowadzi eksploatację, w wyniku czego nie osiąga się wcześniej założonego rezultatu.

Bywa również i tak, że zastosowanie standardowego oprogramowania sterownika i nastaw regulatorów nie w pełni umożliwia energooszczędne działanie systemu klimatyzacji i wentylacji. Z punktu widzenia obniżania kosztów eksploatacyjnych warto do każdego przypadku podejść indywidualnie, szczególnie dla dużych systemów klimatyzacji i wentylacji. Jednocześnie należy zadbać o to, żeby działanie innych instalacji, np. c.o., nie oddziaływało negatywnie na wentylację i klimatyzację. Niekorzystnym przypadkiem jest jednoczesne ogrzewanie pomieszczenia przez instalację c.o. oraz chłodzenie przez instalację klimatyzacji.

W instalacjach klimatyzacji i wentylacji regulacją automatyczną obejmuje się najczęściej procesy obróbki cieplno-wilgotnościowej (np. regulacja temperatury) oraz natężenie przepływu powietrza wentylacyjnego (regulacja wydajności).

Metody umożliwiające regulację wydajności

Przetłaczanie powietrza może odbywać się przy stałej wydajności lub wydajność ta może być regulowana.

W pierwszym przypadku nie jest możliwe obniżanie zużycia energii elektrycznej koniecznej do napędu silnika, gdyż nie ma możliwości zmniejszania jego prędkości obrotowej. W drugim możliwe jest regulowanie prędkości obrotowej. W zależności od rozwiązania regulacja wydajności może się odbywać skokowo lub płynnie.

Regulacja wydajności może być również realizowana poprzez zmianę ustawienia łopatek kierownicy wentylatora lub dławienie przepływu na króćcu tłocznym wentylatora. Nie zmniejsza się jednak w tych przypadkach prędkość obrotowa silnika, a zatem i wentylatora.

Obecnie, w porównaniu do metody regulacji wydajności wentylatora poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika elektrycznego za pomocą przemiennika częstotliwości, są to metody rzadziej spotykane.

Do regulacji natężenia przepływu powietrza w instalacji wentylacyjnej wykorzystywane są różne sposoby [5]:

• regulacja upustowa (obejściowa, bocznikowa) – zmianę natężenia przepływu strumienia powietrza uzyskuje się przez upust z kanału tłocznego do ssawnego. Do pracy z regulacją upustową nadają się wyłącznie wentylatory wysokosprawne i osiowe, gdyż mają stromą charakterystykę. Regulacja jest uzasadniona energetycznie w zakresie 80–100%;
• regulacja przez dławienie – zmianę natężenia przepływu strumienia powietrza uzyskuje się przez zainstalowanie za wentylatorem przepustnicy regulacyjnej, za pomocą której zmienia się opory przepływu w części nawiewnej instalacji, w wyniku czego następuje zmiana charakterystyki instalacji. W metodzie tej nie następuje zmiana obrotów wentylatora. Jest to metoda tania, lecz nieekonomiczna ze względu na występowanie znacznych strat energetycznych, dlatego stosowana jest tylko dla małych wydajności. Praktyczny zakres regulacji mieści się między 100 a 50%;
• regulacja prędkości obrotowej (elektrycznie lub mechanicznie) – korzystny pod względem energetycznym sposób regulacji wydajności wentylatora. Ilość obrotów może być regulowana płynnie lub skokowo. Obecnie do regulacji obrotów wentylatora najczęściej wykorzystuje się przetwornice częstotliwości (falowniki) – metodę płynnej regulacji obrotów, a także metodę skokową (przełączanie ilości biegunów). Zakres regulacji wynosi od 0 do 100%;
• regulacja przez przestawienie kąta łopatek w wentylatorach osiowych – zmiana kąta ustawienia łopatek powoduje spadek ciśnienia tłoczenia i natężenia przepływu, w wyniku czego każdy kąt natarcia łopatek zapewnia uzyskanie nowej charakterystyki wentylatora przy stałym ciśnieniu. Pobór mocy napędowej w odniesieniu do natężenia przepływu jest korzystniejszy i znajduje się pomiędzy regulacją wirową i obrotową, a płynna zmiana natężenia przepływu jest możliwa w zakresie od 0 do 100%;
• regulacja wirowa – w wyniku zmiany przestawienia łopatek kierownicy powietrza montowanych przed wirnikiem wentylatora zmieniany jest kierunek prędkości wlotowej do wirnika (wstępne zawirowanie w kierunku obrotu wirnika), w wyniku czego zachodzi zmiana natężenia przepływu. Regulacja wirowa odbywa się przy stałej prędkości obrotowej. Każda zmiana ustawienia łopatek powoduje zmianę charakterystyki wentylatora. Regulacja wirowa wymaga mniejszej mocy napędowej niż regulacja dławieniowa. Przy stałych obrotach regulacja wirowa jest uzasadniona ekonomicznie dla zmian natężenia przepływu w zakresie 60–100%.

Wydajność wentylatora określana jest przede wszystkim przez strumień objętościowy przetłaczanego powietrza i ciśnienie tłoczenia [5]. Zapotrzebowanie na moc wentylatora Pw jest obliczane z następującej zależności:

 (1)

gdzie:

– wydajność, strumień objętościowy, m³/s;

∆p – spiętrzenie całkowite, Pa;

η_c – sprawność całkowita, –.

Podczas regulacji prędkości obrotowej wentylatorów można założyć, że:

• strumień objętościowy powietrza jest proporcjonalny do prędkości obrotowej,
• ciśnienie jest proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej,
• zapotrzebowanie na moc jest proporcjonalne do trzeciej potęgi prędkości obrotowej.

Prawa te można stosować w szerokim zakresie liczby Reynoldsa z dostateczną dokładnością, pod warunkiem że charakterystyka instalacji – ∆p jest parabolą kwadratową. Wynika z tego, że zastosowanie płynnej regulacji obrotów wentylatora w układzie przyczynia się do znacznych oszczędności energii elektrycznej i cieplnej.

Moc zużywana przez wentylator (w przypadku energii elektrycznej) jest proporcjonalna do trzeciej potęgi ilości przepływającego powietrza, natomiast moc cieplna lub chłodnicza przeznaczona na ogrzewanie lub chłodzenie powietrza jest proporcjonalna do ilości przepływającego powietrza [3] – rys. 4. Zmianę wydajności, ciśnienia całkowitego i zapotrzebowania na moc przy zmianie obrotów oblicza się z poniższych zależności

Praca central o dużych wydajnościach, jakimi są np. centrale klimatyzacji – wentylacji sal operacyjnych, a także centrale pomieszczeń czystych wyposażonych w falowniki, jest możliwa również na obniżonej wydajności. W okresach kiedy nie jest wymagana duża wydajność, może ona zostać obniżona do wartości zapewniającej utrzymanie właściwych warunków wymaganych dla obsługiwanego pomieszczenia.

Przykładowo w salach operacyjnych podczas przerw między zabiegami wymagane jest zachowanie sterylności sali. W tym czasie nie ma źródeł emisji zanieczyszczeń wewnątrz pomieszczenia (pacjent, personel, załączona aparatura), zatem możliwe jest zmniejszenie ilości dostarczanego do pomieszczenia powietrza wentylacyjnego.

Pomimo mniejszej ilości dostarczanego powietrza utrzymywana jest odpowiednia sterylność sali. Do jej utrzymania niezbędne jest nadciśnienie w stosunku do pomieszczeń sąsiednich, kontrolowane przez czujnik różnicy ciśnień. Nadciśnienie w sali uniemożliwia infiltrację przez powietrze z jej otoczenia. Funkcja obniżonej wydajności powinna oczywiście być wyłączona podczas trwania zabiegów i załączana ze znacznym opóźnieniem po ich wykonaniu. W praktyce w przypadku szczelnych pomieszczeń obniżenie prędkości obrotowej do ok. 30% prędkości znamionowej zapewnia uzyskanie wystarczającego nadciśnienia.

Monitoring parametrów klimatycznych wewnątrz pomieszczenia, obecności w nim osób oraz rozkładu ciśnienia między pomieszczeniami bloku operacyjnego pozwala na minimalizowanie kosztów wynikających z utrzymania sterylności sali. Możliwość płynnego regulowania obrotów wentylatorów w układach z falownikami przyczynia się do znacznych oszczędności energii cieplnej i elektrycznej.

Ilość dostarczanego powietrza powinna być dostosowana do funkcji pomieszczeń. Zbyt duże przewietrzanie pomieszczeń powoduje zwiększenie zużycia energii niezbędnej do zapewnienia procesów cieplno-wilgotnościowych obróbki powietrza.

Okresowe wyłączanie z ruchu urządzeń, ruchomy czas pracy instalacji, programy czasowe

Zastosowanie opcji programowej umożliwiającej dostosowanie czasu pracy instalacji klimatyzacji i wentylacji do wykorzystania pomieszczeń umożliwia znaczące zmniejszenie zużycia energii. Wyłączanie z ruchu urządzeń w okresach przerw w pracy z jednoczesnym zamykaniem przepustnic regulacyjnych ma zastosowanie w miejscach, w których instalacja jest wykorzystywana okresowo. Nie należy stosować tej metody wszędzie tam, gdzie działanie instalacji ma na celu zapewnienie bezpieczeństwa. Wyłączanie z ruchu może odbywać się w sposób ręczny lub automatyczny.

Wśród opcji programowych zastosowanie znajdują programy czasowe – dobowe oraz tygodniowe. Niektóre rozwiązania techniczne umożliwiają załączanie instalacji klimatyzacji i wentylacji w celu przewietrzania pomieszczeń poza programem czasowym lub utrzymania zadanej temperatury.

W przypadku instalacji obsługujących duże pomieszczenia, w których prace wykonywane są w poszczególnych strefach o różnych porach dnia, np. kuchnie żywienia zbiorowego, zastosowanie znajdują układy strefowe. Dzięki podziałowi strefowemu wentylacji tych pomieszczeń załączanie poszczególnych odcinków systemu w danej strefie może się odbywać cyklicznie. W związku z tym unika się jednoczesnego działania całego systemu, a tym samym możliwe jest ograniczenie zużycia energii.

Zastosowanie programów czasowych pozwala uniknąć ciągłej pracy instalacji klimatyzacji i wentylacji w okresach, w których działanie nie jest konieczne. Rozwiązanie to pozwala także wyeliminować sytuacje, w których użytkownicy pomieszczenia po jego opuszczeniu nie wyłączają ręcznie instalacji.

Część druga w Rynku Instalacyjnym 11/2015

Literatura

1. Kaiser K., Oszczędzanie energii w nowoczesnych systemach klimatyzacji i wentylacji stosowanych w szpitalach. Cz. 1, „TCHiK” nr 6-7/2004.
2. Kaiser K., Oszczędzanie energii w nowoczesnych systemach klimatyzacji i wentylacji stosowanych w szpitalach. Cz. 2, „TCHiK” nr 8/2004.
3. Kaiser K., Wolski A., Klimatyzacja i wentylacja w szpitalach. Teoria i praktyka eksploatacji, Wyd. MASTA, Gdańsk 2007.
4. Kaiser K., Wentylacja i klimatyzacja. Wymagania prawne, projektowanie, eksploatacja, Wyd. MASTA, Gdańsk 2015.
5. Ullrich H.J., Technika klimatyzacyjna. Poradnik, Wyd. MASTA, Gdańsk 2001.
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).