Systemy klimatyzacji w budynkach o niewystarczającej mocy przyłączeniowej

Od kilku lat nowo powstające budynki biurowe wyposażone są standardowo w system klimatyzacji. Może on być odpowiedzialny nawet za 30% mocy elektrycznej pobieranej w szczycie zapotrzebowania, jest więc znaczącym odbiornikiem energii elektrycznej. W budynkach, w których już na etapie planowania przewidywany jest taki system, nie ma problemu z obliczeniem zapotrzebowania na moc elektryczną. Obliczona moc maksymalna przedstawiana jest następnie we wniosku przyłączeniowym, a cała powstająca infrastruktura elektroenergetyczna przystosowana do pokrycia maksymalnego obciążenia. 

Niestety nowe budynki biurowe często skupione są w jednym miejscu. Tworzenie dzielnic biznesowych wpływa niekorzystnie nie tylko na infrastrukturę transportową (miejsca słynne z ciągłych utrudnień komunikacyjnych), ale także na infrastrukturę elektroenergetyczną, która może być narażona na deficyt dostarczanej mocy. Jeszcze inaczej wygląda sytuacja w budynkach już istniejących. Wiele budynków biurowych znajdujących się w centrach dużych miast liczy sobie znacznie więcej niż 30 lat.

Część z nich objęta jest opieką konserwatora, co znacząco ogranicza możliwość wykonania w nich większych prac remontowo-modernizacyjnych. Przykładem mogą być siedziby wszelkiego rodzaju władz, zarówno lokalnych, jak i państwowych. Z doświadczeń autorów wynika, że w większości tego typu obiektów istnieje problem z utrzymaniem parametrów komfortu w miesiącach letnich. Zazwyczaj jedynym systemem wentylacji jest w nich wentylacja naturalna, która w miesiącach letnich praktycznie nie funkcjonuje. Budynki takie zwykle nie mają klimatyzacji centralnej, a jedynie pojedyncze klimatyzatory typu split w poszczególnych pomieszczeniach, co bardzo często skutkuje przegrzewaniem, nierzadko ciasnych, pokoi biurowych.

Zarządca budynku, decydując się na inwestycję w system klimatyzacji, często staje przed problemem niewystarczającej mocy przyłączeniowej. Infrastruktura doprowadzająca energię elektryczną do budynku projektowana była według innych wytycznych, na znacznie mniejszą moc elektryczną. Rozwój technologii komputerowych sprawił, że ze względu na coraz większą liczbę urządzeń budynki biurowe zużywają coraz więcej energii elektrycznej. Powoduje to zmniejszenie różnicy między mocą przyłączeniową a mocą pobieraną przez budynek. Zwiększenie mocy przyłączeniowej często nie jest możliwe, ponieważ może się wiązać z modernizacją infrastruktury energetycznej na bardzo dużym obszarze, a lokalny operator sieci dystrybucyjnej może nie mieć w planach tak dużych inwestycji. W ciągu ostatnich dziesięciu lat zapotrzebowanie na moc w sezonie letnim wzrosło średnio o 20%, a w miesiącach zimowych średnio o 10%. Dwukrotnie większy przyrost mocy w okresie letnim spowodowany jest głównie szerokim rozpowszechnieniem stosowania systemów klimatyzacji w budynkach.

Opis analizowanego budynku

Artykuł stanowi studium przypadku zastosowania systemu klimatyzacji centralnej w budynku o niewystarczającej mocy przyłączeniowej. Analizę przeprowadzono dla budynku biurowego wybudowanego w latach 50. ubiegłego wieku. Powierzchnia sześciokondygnacyjnego budynku wynosi około 23 tys. m², jego kubatura prawie 76 tys. m³, a pracuje w nim blisko 900 osób. Nieocieplony budynek zbudowany jest z cegły dziurawki w konstrukcji słupowo-ryglowej. Funkcjonuje w nim wentylacja naturalna (grawitacyjna). Obecnie klimatyzowana jest jedynie mała część pokoi biurowych wyposażonych w klimatyzatory typu split.

Budynek zasilany jest w energię elektryczną z dwóch przyłączy niskiego napięcia o łącznej mocy przyłączeniowej równej 520 kW. Na potrzeby opracowania przeanalizowano godzinowe dane o poborze mocy elektrycznej przez wszystkie przyłącza. Dane obejmowały cały 2018 rok. Maksymalny pobór energii przyłącza pierwszego wyniósł w tym okresie 202,4 kW, drugiego zaś 131,2 kW. Maksymalny chwilowy pobór mocy obu przyłączy wyniósł 318,4 kW. Oznacza to, że minimalny zapas mocy wyniósł w 2018 roku ok. 200 kW. Ze względu na znaczenie budynku założono, że minimalny zapas mocy powinien stanowić 10% mocy przyłączeniowej, czyli 50 kW. W takim przypadku dyspozycyjny zapas mocy wyniósł w 2018 roku 150 kW. Na rys. 1 przedstawiono uporządkowany wykres zapotrzebowania na moc elektryczną.

Maksymalne zapotrzebowanie na energię elektryczną występowało w miesiącach letnich. Na potrzeby analizy sporządzono dwa dobowe przebiegi poboru mocy elektrycznej obrazujące teoretyczny dzień, kiedy pobory mocy w każdej godzinie są poborami maksymalnymi, występującymi o tej godzinie w 2018 roku. Analogicznie stworzono dzień z najmniejszymi godzinowymi poborami mocy. Oba uzyskane przebiegi przedstawiono na rys. 2.

Dla dnia „maksymalnego” nocny pobór mocy wynosi minimalnie 104,8 kW. Szczyt zapotrzebowania przypada na godziny 8–16 i wynosi ok. 320 kW.

Ze względu na znaczne przegrzewanie się pomieszczeń w miesiącach letnich, szczególnie na wyższych kondygnacjach, zarządca zdecydował się na analizę możliwości zastosowania centralnego systemu klimatyzacji we wszystkich pokojach biurowych znajdujących się w budynku. Obliczeń zapotrzebowania na energię do chłodzenia dokonano prostą metodą godzinową zgodnie z metodologią opracowaną w normie PN-EN-ISO 13790 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia. Metodologia ta zdaniem autorów pozwala na wystarczająco szczegółowe określenie zapotrzebowania na moc chłodniczą oraz obliczenie rocznego zużycia energii elektrycznej na potrzeby wytworzenia chłodu. Podstawowe założenia przyjęte do przeprowadzenia obliczeń zebrano poniżej:

• wartości powierzchni przegród przyjęto zgodnie z planami sytuacyjnymi,
• współczynniki przenikania ciepła oraz przepuszczalności promieniowania słonecznego przyjęto zgodnie z przeprowadzonym audytem energetycznym,
• zyski od osób w pomieszczeniu: 85 W/os. w trakcie godzin pracy budynku, dla osób pracujących w pozycji siedzącej przy niskiej aktywności fizycznej,
• zyski od oświetlenia: 4 W/m² (oświetlenie LED),
• zyski od urządzeń: 300 W/pokój w trakcie godzin pracy obiektu,
• współczynnik jednoczesności przebywania osób w pomieszczeniach: 0,9,
• temperatura wewnętrzna podczas okresu chłodniczego: 24°C (zalecenie zarządcy obiektu),
• zmienna liczba wymian wentylacji naturalnej w obiekcie ze względu na różnicę temperatury pomiędzy temperaturą zewnętrzną i wewnątrz pomieszczeń,
• natężenie promieniowania słonecznego zaczerpnięto z danych dla typowego roku meteorologicznego ze strony Ministerstwa Infrastruktury i Rozwoju, wygenerowanych z bazy Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej i uśrednionych dla okresu trzydziestu lat, dla stacji meteorologicznej Warszawa-Okęcie,
• założono wymianę starych klimatyzatorów w pojedynczych pomieszczeniach i zamontowanie nowych jednostek wewnętrznych współpracujących z nową centralną instalacją chłodzenia budynku,
• obliczeń dokonano dla wszystkich pomieszczeń biurowych w ­obiekcie.

Obliczeń dokonano z krokiem godzinowym w arkuszu kalkulacyjnym, na późniejszym etapie porządkując wyniki dziennie, miesięcznie oraz rocznie. Struktura rocznych zysków ciepła w budynku została przedstawiona na rys. 3.

Maksymalne zapotrzebowanie na chłód wynosi 927 kW mocy chłodniczej. Suma godzinowego zapotrzebowania określa całkowitą energię potrzebną do chłodzenia, która wynosi 879 552 kWh, co przy pominięciu pracy instalacji chłodzenia w trakcie dni wolnych daje 628 251,5 kWh chłodu. Na rys. 4 przedstawiono uporządkowany wykres zapotrzebowania na chłód.

Zapotrzebowanie na chłód w obiekcie występuje przez 2185 godzin, co stanowi 25% roku, a uporządkowany rozkład zapotrzebowania ma charakter liniowy. Połowa okresu chłodniczego cechuje się zapotrzebowaniem na moc niższym niż 400 kW, co jest średnim zapotrzebowaniem na moc w analizowanym budynku. Na potrzeby opracowania przeanalizowano dane godzinowe w celu utworzenia dnia o największym zapotrzebowaniu na moc chłodniczą. Dzień ten został utworzony z maksymalnych godzinowych zapotrzebowań na chłód. Przebieg zapotrzebowania na moc chłodniczą w takim dniu przedstawiono na rys. 5.

Całkowite zapotrzebowanie na chłód w najgorszym dniu wynosi 10 112 kWh, a maksymalna moc 923 kW. Stworzony przebieg będzie podstawą do analizy maksymalnego zapotrzebowania na energię elektryczną dla każdego z zaproponowanych wariantów.

Zaproponowano urządzenia chłodnicze opierające się na wodnym systemie klimatyzacji, w którego skład wchodzą klimakonwektory czterorurowe w pomieszczeniach (jednostki wewnętrzne) oraz agregaty wody lodowej (jednostki zewnętrzne). Jest to jedyne możliwe do zastosowania rozwiązanie, biorąc pod uwagę wielkość budynku, w którym nie ma miejsca na rozprowadzenie kanałów wentylacyjnych dla systemu klimatyzacji powietrznej. Nie można również zastosować systemów VRV ze względu na ograniczoną liczbę jednostek wewnętrznych mogących współpracować z jednostką zewnętrzną, a dodatkową zaletą systemu opartego na wodzie lodowej jest znaczne ograniczenie ilości freonu używanego w instalacji chłodzenia w porównaniu do instalacji multisplit czy VRV. Dodatkowo w budynku planowana jest wymiana instalacji c.o. Wykorzystanie opisanego wyżej systemu pozwoli ograniczyć łączne koszty obydwu modernizacji.

Opis proponowanych wariantów

Ze wstępnej analizy przeprowadzonej przez autorów wynikało, że standardowy system oparty na agregacie wody chłodzącej chłodzonym cieczą ma zapotrzebowanie na moc elektryczną większe od dyspozycyjnego zapasu istniejących przyłączy. Z rozmów z OSD wynikło, że rozbudowa przyłączy jest obecnie niemożliwa. Z tego względu zaproponowano następujące warianty systemu klimatyzacji:

• wariant I: agregat wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą i magazynem chłodu; 
• wariant II: agregat wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą i magazynem energii elektrycznej; 
• wariant III: agregat wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą i instalacja PV.
• Wariant I: agregat wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą i magazynem chłodu

Zastosowanie magazynu chłodu (ang. ice bank) umożliwi ograniczenie mocy chłodniczej agregatu wody lodowej chłodzonego cieczą, a tym samym zapotrzebowania na moc elektryczną. Magazyn chłodu powinien być ładowany w nocy, aby wykorzystać niższy koszt energii elektrycznej oraz mniejsze obciążenie przyłącza elektroenergetycznego w budynku, a rozładowywany w dzień, podczas największego zapotrzebowania na moc chłodniczą w obiekcie. Włączenie magazynu chłodu do instalacji umożliwi zastosowanie agregatu o mniejszej mocy, wynoszącej 570 kW, w celu całkowitego pokrycia zapotrzebowania na chłód. Pozostała część zapotrzebowania zostanie pokryta przez magazyn chłodu. W wariancie tym dobrano cztery jednakowe zbiorniki chłodu o łącznej pojemności 2680 kWh oraz sprawności 0,92. Zbiorniki zajmą powierzchnię 16 m², waga pustych zbiorników to 3,5 tony, a pełnych 30,42 tony. 

Na rys. 6 przedstawiono przebieg zapotrzebowania na chłód z rozróżnieniem, jaka jego część zostanie pokryta przez agregat wody lodowej oraz magazyn chłodu. Zapotrzebowanie zostało przedstawione w najgorszym dniu, w którym dla każdej godziny przypada największe w ciągu roku obciążenie chłodnicze.

Magazyn chłodu będzie w stanie zapewnić 26,48% całkowitego dziennego zapotrzebowania na chłód w obiekcie w trakcie teoretycznego najgorszego dnia, zapewniając przy tym średnio 270 kW mocy chłodniczej. W analizowanym wariancie konieczne jest zapewnienie odpowiedniego systemu sterowania układem, aby zoptymalizować proces ładowania i rozładowywania magazynu chłodu w celu równomiernego odciążenia agregatu chłodniczego.

Przy odpowiednim wykorzystaniu dobrany magazyn chłodu pokryje w ciągu roku 326 112 kWh, co stanowi 51,91% zapotrzebowania na chłód w obiekcie (nie uwzględniając weekendów). Pojemność magazynu będzie wystarczająca do całkowitego pokrycia zapotrzebowania na chłód przez 69 dni w roku, w których nie będzie konieczne uruchamianie agregatu wody lodowej w trakcie godzin pracy obiektu, kiedy przyłącze elektroenergetyczne jest najbardziej obciążone. Rys. 7 przedstawia pobór mocy elektrycznej przez poszczególne urządzenia w teoretycznym najgorszym dniu. Założono efektywność wytwarzania chłodu podczas ładowania magazynu na poziomie EER = 4,2.

W najgorszych możliwych warunkach, przy największym zapotrzebowaniu na chłód oraz maksymalnym poborze energii elektrycznej przez pozostałe urządzenia w budynku, istnieje zakładany wcześniej bufor bezpieczeństwa pomiędzy mocą pobieraną a przyłączeniową. Łączny pobór energii elektrycznej na potrzeby produkcji chłodu wyniesie 160 000 kWh rocznie, przy koszcie agregatu 450 000 zł, a magazynu chłodu 250 000 zł. Założono średnią sezonową efektywność wytwarzania chłodu agregatu wynoszącą 5,5 w czasie kiedy agregat bezpośrednio wytwarza chłód do chłodzenia pomieszczeń oraz 4,5 w czasie ładowania magazynu chłodu, a także sprawność magazynowania chłodu na poziomie 0,92. Niższa sprawność ładowania magazynu wynika z obniżenia temperatury pracy agregatu chłodniczego.

Wariant II: agregat wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą i magazynem energii elektrycznej

Aby określić optymalną wielkość magazynu energii elektrycznej, wyznaczono profile zapotrzebowania na energię elektryczną dla najbardziej niekorzystnego dnia. Założono przy tym wykorzystanie agregatu chłodniczego ze skraplaczem chłodzonym cieczą. Ciepło odebrane od skraplacza rozpraszane będzie w chłodnicy wentylatorowej. Łączna moc chłodnicza, którą musi pokryć system, wynosi 950 kW. Zaleca się rozdzielenie tej mocy pomiędzy dwie jednostki o mocy 600 i 350 kW. Pozwoli to znacząco poprawić SEER dzięki pracy systemu z optymalną sprawnością przez dłuższy czas. Na potrzeby obliczeń przyjęto, że EER przy maksymalnym obciążeniu agregatu wynosi 5,0. Przyjęto również ESEER równe 5,5. Do agregatu dobrano także chłodnicę wentylatorową. Jej koszt oraz energię zużywaną przez wentylatory i pompę obiegową chłodziwa uwzględniono w obliczeniach. Przebieg poboru mocy elektrycznej przez system chłodzenia w dniu o największym zapotrzebowaniu na chłód zobrazowano na rys. 8.

Maksymalna moc elektryczna do pokrycia zapotrzebowania na chłód wynosi 254 kW. Łączna ilość energii elektrycznej zużyta na potrzeby produkcji chłodu wynosi w tym dniu 2766 kWh. Aby stwierdzić, czy moc przyłączeniowa budynku jest wystarczająca do pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną, stworzono profil zużycia energii elektrycznej będący sumą dotychczasowego profilu dnia o najwyższym zużyciu energii oraz profilu dnia o najwyższym zapotrzebowaniu na chłód. Jego przebieg pokazano na rys. 9.

Maksymalny pobór energii elektrycznej wynosi 569 kW i o 49 kW przekracza dostępną moc przyłączeniową. Biorąc pod uwagę bezpieczny zapas mocy wynoszący 50 kW, magazyn energii powinien mieć moc co najmniej 100 kW oraz pojemność 660 kWh. Na potrzeby analizy dobrano baterie litowo-jonowe o pojemności dyspozycyjnej 12 kWh, nominalnym napięciu 8 V, maks. prądzie rozładowania 600 A i ładowania 300 A, wadze 477 kg.

Aby osiągnąć niezbędną pojemność, potrzebne będzie 55 pojedynczych modułów. Ich waga wyniesie zatem ponad 26 ton, a objętość 10,51 m³. Przyjmując maksymalną moc ładowania jednego modułu równą 2,4 kW, moc ładowania całego magazynu wyniesie 132 kW, a największa moc rozładowania magazynu 264 kW, będzie więc wystarczająca. Szacunkowy koszt magazynu energii elektrycznej to 3000 zł/kWh, możliwy do uzyskania przy dużym zamówieniu. Łączny koszt instalacji szacuje się zatem na 1 980 000 zł.

Profil pokrycia zapotrzebowania uwzględniający maksymalne wykorzystanie magazynu energii elektrycznej przedstawia rys. 10.

Wykorzystanie maksymalnej pojemności magazynu energii obniża maksymalny pobór energii elektrycznej z sieci do 470 kW. Łączne sezonowe zużycie energii elektrycznej na potrzeby produkcji chłodu wynosi 155 000 kWh. Koszt tego wariantu szacuje się na 2 600 000 zł.

Wariant III: agregat wody lodowej ze skraplaczem chłodzonym cieczą i instalacją PV

Analogicznie jak w wariancie II niedobór mocy elektrycznej wynosi 100 kW. Wariant III korzysta z koherentności pomiędzy zapotrzebowaniem na chłód i produkcją energii z systemu PV. W analizie zdecydowano się na instalację fotowoltaiczną zajmującą całą dostępną powierzchnię dachu. Projekt ten otrzymał wstępną akceptację konserwatora zabytków. Proponuje się budowę systemu fotowoltaicznego o mocy 158,4 kWp, złożoną z 528 modułów o mocy 300 Wp każdy, o łącznej powierzchni 859 m2 i wadze 9566,8 kg. 

Przyjęto, że moduły są odchylone na wschód o 17° w stosunku do kierunku południowego i pochylone pod kątem 30° względem powierzchni poziomej. Dla pochylenia 30° względem poziomu odczytano ze strony Ministerstwa Innowacji i Rozwoju godzinne wartości napromieniowania powierzchni czołowej modułów dla azymutu wynoszącego 0°. Wpływ odchylenia względem kierunku południowego jest pomijalny. Przy pochyleniu względem poziomu 30° odstęp pomiędzy poszczególnymi rzędami modułów powinien wynosić 2,78 m, zgodnie z założeniem braku zacienienia dolnej część modułów 21 grudnia. 

Energię elektryczną wytworzoną przez system Ew [kWh] obliczono z zależności:

gdzie:

P – nominalna moc systemu fotowoltaicznego, kW;

H – roczne napromieniowanie powierzchni czołowej modułów fotowoltaicznych, kWh;

η_inst. – sprawność instalacji (1 – straty), przyjęto wartość 0,87, która ujmuje sprawność konwersji DC/AC (nie jest to wielkość związana ze sprawnością modułów);

STC – gęstość strumienia napromieniowania w warunkach testowych, wynosi 1 kW/m². 

Całkowita roczna produkcja energii elektrycznej z instalacji PV wynosi 145 314 kWh. Z analizy przebiegów godzinowych wynika, że w dniach funkcjonowania obiektu całość wytworzonej energii elektrycznej będzie skonsumowana na miejscu. W pozostałych dniach nadmiar wyprodukowanej energii elektrycznej (ok. 5% całkowitej produkcji) będzie wykorzystany np. do podgrzewu c.w.u. Sprzedaż energii do sieci jest w tym przypadku nieopłacalna ze względu na konieczność zmiany taryfy z wielostrefowej na jednostrefową. Wynika to z faktu, że aż 53,64% zapotrzebowania na chłód spowodowane jest zyskami od promieniowania słonecznego. Przy założeniu kosztu instalacji wynoszącego 5000 zł/kWp brutto, koszt całkowity systemu wyniesie 792 000 zł. Koszt agregatu szacuje się na 600 000 zł. Całkowity koszt inwestycji powinien wynieść zatem 1 392 000 zł. Łączne roczne zużycie energii elektrycznej przez system klimatyzacji wyniesie 148 MWh.

Podsumowanie

Malejąca różnica pomiędzy mocą przyłączeniową a mocą pobieraną przez budynki biurowe jest coraz bardziej powszechna. Dotyczy obecnie przede wszystkim budynków starszych, zlokalizowanych w centrach miast, jednakże tworzenie dzielnic biznesowych może nieść takie same zagrożenia dla infrastruktury elektroenergetycznej w budynkach nowych. Tendencja wzrostu użytkowania urządzeń pobierających energię elektryczną, szczególnie w okresie letnim, niesie za sobą konieczność poszukiwania rozwiązań niekonwencjonalnych, które umożliwią utrzymanie odpowiedniego standardu komfortu cieplnego w budynku bez rozbudowy infrastruktury na całym obszarze. 

Wybór rozwiązania zaimplementowanego w obiekcie będzie zależał od zarządcy obiektu, jego możliwości finansowych oraz zasadności wprowadzenia danego systemu. Trzy rozwiązania zaproponowano powyżej, a najważniejsze parametry wszystkich wariantów zebrano w tabeli.

W obliczeniach kosztów energii uwzględniono możliwość korzystania z taryf wielostrefowych. W kosztach inwestycyjnych nie uwzględniono kosztów samego systemu wody lodowej. Będzie on taki sam dla wszystkich wariantów, a więc nie wpłynie na ocenę inwestycyjną wariantów. Zdecydowanie najdroższy jest wariant II obejmujący inwestycję w magazyn energii elektrycznej. Roczne koszty energii elektrycznej są w tym wariancie porównywalne do tych z wariantu I. Koszt wariantu I jest zdecydowanie najniższy, jednak jego roczne koszty użytkowania są trzykrotnie wyższe niż wariantu III. Aby porównać ze sobą wariant I i III, zdecydowano się obliczyć prosty czas zwrotu inwestycji przy założeniu, że wariant I traktujemy jako referencyjny. Nakłady dla wariantu III ponad wariant referencyjny wynoszą więc 592 000 zł, a roczny koszt użytkowania jest o 43 000 zł niższy. Z danych tych wynika, że prosty czas zwrotu inwestycji w wariancie III wynosi 13,76 lat. Przy rosnących cenach energii czas zwrotu wariantu III będzie malał. Prosta analiza, jaką wykonano, nie uwzględnia kosztów odnowienia inwestycji, spadków sprawności urządzeń oraz kosztów serwisów i napraw.

Literatura

1. Niezgoda-Żelasko B., Nowoczesne systemy chłodzenia pośredniego, Kraków 2017.
2. Park Naukowo-Technologiczny Euro-Centrum, Koszty magazynowania energii w rzeczywistych zasobnikach, http://pnt.euro-centrum.com.pl/files/post/830/Koszty-magazynowania-energii-w-rzeczywistych-zasobnikach.pdf.
3. Chwieduk B., Szelągowski A., Analiza możliwości wykorzystania instalacji fotowoltaicznej do zasilania urządzeń klimatyzacyjnych, „Instal” nr 11/2017, s. 50–54.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!