Optymalizacja zużycia energii w budynkach

Z punktu widzenia optymalizacji energetycznej systemu HVAC najważniejszymi elementami są układy regulacji: dostawy ciepła/chłodu i powietrza do pomieszczeń, strumienia powietrza i wentylatorów, sieci dystrybucyjnej czynnika pośredniczącego i pomp obiegowych, wymiany i odzysku ciepła w centralach wentylacyjnych/klimatyzacyjnych, mocy źródła ciepła i chłodu. Istotne jest również wzajemne oddziaływanie powyższych elementów, a także współpraca instalacji wentylacyjnej/klimatyzacyjnej z systemem ogrzewania budynku i innymi instalacjami.

Obszarem, który poprzez współpracę projektanta technologii z projektantem systemu regulacyjnego daje ogromne możliwości optymalizacji energetycznej, jest również sam dobór urządzeń technologicznych. Wykonywanie bilansu i dobór urządzeń w oparciu o analizę statyczną zapotrzebowania na ciepło i chłód zapewniają właściwą wielkość urządzeń, począwszy od odbiorników końcowych w pomieszczeniach, przez sieć przewodów wentylacyjnych i hydraulicznych, aż po źródła ciepła i chłodu dla warunków obliczeniowych, na ogół przy założonej jednoczesności wystąpienia obciążeń obliczeniowych we wszystkich pomieszczeniach. Natomiast za pomocą specjalnych programów można przeprowadzić analizę dynamiczną uwzględniającą:

• istnienie systemu regulacyjnego instalacji HVAC wraz z podziałem obiektu na strefy różniące się programami temperatury, programami użytkowania oraz zyskami od oświetlenia, osób i urządzeń,
• zmienność wykorzystania pomieszczeń dla różnych pór dnia i roku,
• wewnętrzne przepływy ciepła pomiędzy pomieszczeniami oraz czas niezbędny do osiągnięcia przez pomieszczenie temperatury komfortowej po okresie utrzymywania temperatury ekonomicznej.

Dzięki analizie takiej, zwanej również modelem energetycznym, można:

• uzyskać dane o szczytowych obciążeniach godzinowych dla pomieszczeń oraz dla całego budynku,
• w sposób optymalny dobrać sieć przewodów powietrznych oraz hydraulicznych (tworząc ewentualne strefy), zespoły wentylacyjne i pompowe oraz źródło ciepła i chłodu, których moc chwilową będzie można dopasować do zapotrzebowania wynikającego z obciążeń chwilowych,
• określić oszczędności wynikające z zastosowania w regulacji instalacji HVAC programów czasowych i zmian wartości zadanych temperatury, wilgotności i przepływu powietrza.

Optymalizacja zużycia energii na poziomie pomieszczeń

Jednym z działań możliwych na poziomie pomieszczeń jest optymalne kształtowanie wartości zadanych. Przyjmuje się, że podniesienie o 1°C temperatury w pomieszczeniu w funkcji grzewczej oznacza wzrost o 6–10% zużycia energii, a obniżenie o 1°C w funkcji chłodniczej daje wzrost zużycia energii o 10–16%. Również nawilżanie bądź osuszanie powietrza nawiewanego (poza szczególnymi przypadkami), zwłaszcza stosowanego często nawilżania parowego z zasilania elektrycznego, znacząco zwiększa koszty zużywanej w budynku energii. Dlatego z wyjątkiem obiektów o bardzo rygorystycznych wymaganiach dla typowych pomieszczeń warto rozważyć dopuszczenie zmiennych wartości zadanych wilgotności, dopasowując je do temperatury pomieszczenia, przy czym zależność pomiędzy temperaturą i wilgotnością należy dobrać tak, aby spełnione zostały warunki komfortu cieplnego wynikające z normy PN-EN ISO 7730 dot. wyznaczania i interpretacji komfortu termicznego [2]. W okresie niekorzystania z pomieszczeń utrzymywana jest w nich temperatura niższa dla funkcji grzewczej i wyższa dla chłodniczej. Na przykład w hotelach, gdzie część pomieszczeń jest niewykorzystania, jest to źródłem bardzo dużych oszczędności, o ile będą zadawane odpowiednie wartości temperatur.

Optymalnym rozwiązaniem jest regulator pomieszczeniowy z możliwością wymuszenia zmiany trybu pracy z komfortowego na ekonomiczny poprzez sygnał zdalny. Można też korzystać z prostej nastawy ręcznej na regulatorze pomieszczeniowym, ale wymaga to interwencji obsługi w pokoju przed przybyciem gościa i po jego wyjeździe.

Doprowadzenie pomieszczenia po okresie temperatury ekonomicznej do temperatury komfortowej wymaga czasu i dlatego stosuje się dodatkową nastawę tzw. temperatury prekomfortowej, np. w regulatorach RMU, utrzymywanej tuż przed przybyciem gościa do pokoju. Temperatura ta jest niższa dla funkcji grzewczej, a dla chłodniczej wyższa niż dla komfortowej, ale różnica jest niewielka i można szybko osiągnąć temperaturę komfortową. Przykładowe wartości temperatur zadanych to dla ogrzewania: tryb komfortu 20°C, tryb prekomfortu 18°C, tryb ekonomiczny 18°C, a dla chłodzenia: tryb komfortu 22°C, tryb prekomfortu 28°C, tryb ekonomiczny 35°C.

Zmiany trybu pracy

Niezależnie od tego, ile mamy do dyspozycji wartości zadanych temperatury, żeby przyniosły one efekt oszczędnościowy, muszą być faktycznie wykorzystywane. Najlepiej, aby zmiany trybu pracy następowały automatycznie, bez konieczności wymuszania ręcznego. Zmiany mogą być inicjowane przez program czasowy zadany lokalnie, a gdy regulator pomieszczeniowy ma możliwość komunikacji zdalnej, to przez system zarządzający BMS lub regulator strefowy. Zmiany te są uniezależnione od ingerencji człowieka, co jest zaletą, a wadą jest to, że nie zawsze możliwe jest dopasowanie nastawionego programu do rzeczywistych okresów użytkowania. Inną możliwością jest uzależnienie przejścia w tryb temperatury komfortowej od zadziałania czujnika obecności albo otwarcia drzwi, względnie sygnału zdalnego. Stratom energii może zapobiegać także sygnał otwarcia okna inicjujący przejście w tryb temperatury ekonomicznej albo całkowitego wyłączenia z zachowaniem funkcji ochrony przeciwzamrożeniowej.

Przykład połączenia zalet programowania czasowego z uwzględnieniem dodatkowych wejść sygnalizacyjnych od zmiany trybu pracy przedstawiony został na rys. 1. Obowiązuje tu program czasowy, a gdy zadziała wejście sygnalizujące otwarcie okna, następuje przejście do trybu temperatury ochrony przeciwzamrożeniowej. Programowanie czasowe wartości zadanych jest szczególnie użyteczne w obiektach o stałych porach użytkowania, np. pomieszczeniach biurowych.

Regulacja zależna od potrzeb dot. jakości powietrza

Dopasowanie strumienia powietrza dostarczanego do pomieszczenia do faktycznych potrzeb umożliwia uzyskanie dużych oszczędności dzięki zmniejszeniu poboru mocy przez wentylatory i układy dostarczające ciepło lub chłód do powietrza oraz pompy tłoczące czynnik pośredniczący. Ponadto jeżeli uwzględni się rzeczywiste szczytowe obciążenia cieplne/chłodnicze dla poszczególnych pomieszczeń i obsługujących je stref, to dzięki regulacji DCV można zredukować przekroje przewodów powietrznych. W instalacjach DCV uruchomienie regulacji w trybie temperatury komfortu wymaga sygnału o obecności osób w pomieszczeniu lub innego wymuszenia, np. przez program czasowy.

Natomiast regulacja strumienia powietrza odbywa się z uwzględnieniem regulacji temperatury i jakości powietrza poprzez czujnik stężenia CO₂, a gdy dopuszczone jest palenie, to przez czujnik VOC. Oznacza to, że jeżeli w pomieszczeniu przebywa mniej osób, niż założono przy doborze urządzeń technologii wentylacyjnej/klimatyzacyjnej, to zmniejszony zostaje strumień nawiewanego powietrza bez pogorszenia jego jakości. Jako dopuszczalną zawartość CO₂ przyjmuje się na ogół 800–1000 ppm. Przy sterowaniu z uwzględnieniem jakości powietrza wzrost stężenia CO₂ nie powinien skutkować natychmiastowym zwiększeniem wydajności wentylatora przez podwyższenie biegu lub wzrost prędkości obrotowej, gdy prędkość obrotowa wentylatora jest regulowana przez falownik. Wentylator powinien działać przy możliwie najniższej wydajności. W przypadku wzrostu stężenia CO₂ powinno nastąpić zredukowanie strumienia powietrza recyrkulowanego. Dopiero jeżeli to nie pomoże, zwiększona powinna zostać wydajność wentylatora.

Gdy centrala wentylacyjna oprócz dostarczenia powietrza świeżego ma równocześnie pokryć straty i zyski ciepła, np. w halach, to niezależnie od innych elementów odzysku ciepła wskazane jest jej uzupełnienie o recyrkulację sterowaną przez czujnik CO₂. Dzięki temu w okresie niewykorzystania obiektu i braku osób przepływ powietrza świeżego redukowany jest do minimum, co istotnie zmniejsza zużycie energii zarówno na ogrzewanie, jak i chłodzenie, skracany jest też czas potrzebny do osiągnięcia temperatury komfortowej po okresie temperatury ekonomicznej.

Optymalizacja zużycia energii na poziomie central

Także na poziomie central można optymalizować zużycie energii poprzez kształtowanie wartości zadanych. Jeżeli system regulacji centrali ma zapewnić odpowiednią wartość temperatury pomieszczenia, najkorzystniej jest prowadzić tę regulację w sposób kaskadowy. Jeśli centrala wentylacyjna przygotowuje powietrze, które jest później przygotowywane w lokalnych instalacjach pomieszczeniowych, jak VAV, nagrzewnice strefowe, chłodnice strefowe, aparaty indukcyjne, wartość zadana temperatury powietrza opuszczającego centralę musi uwzględnić skrajne wartości zadanych temperatur pomieszczeń. Oznacza to, że gdy na strefach są tylko nagrzewnice, to temperatura za centralą nie może być wyższa niż najniższa temperatura zadana w pomieszczeniach. Gdy centrala dostarcza do pomieszczeń tylko powietrze w celach higienicznych, a ogrzewanie i chłodzenie jest realizowane lokalnie poprzez klimakonwektory, belki chłodzące z grzejnikami lub splity z grzejnikami, to:

• w okresie ogrzewania temperatura powietrza wychodzącego z centrali do pomieszczeń powinna być równa temperaturze zadanej pomieszczenia lub, przy większej liczbie pomieszczeń, najniższej temperaturze zadanej w obsługiwanych pomieszczeniach (dla określenia najniższej temperatury zadanej potrzebna jest komunikowalność regulatorów pomieszczeniowych z regulatorem centrali wentylacyjnej/klimatyzacyjnej),
• w okresie chłodzenia temperatura powietrza wychodzącego z centrali do pomieszczeń powinna być niższa niż temperatura zadana w pomieszczeniach, a w centrali nie mogą działać sekwencje grzewcze. Zapobiega to ogrzewaniu powietrza w centrali z jednoczesnym chłodzeniem w pomieszczeniach. W niektórych regulatorach central można to osiągnąć poprzez wprowadzenie kompensacji pogodowej temperatury nawiewu albo w przypadku komunikacji z regulatorami pomieszczeniowymi poprzez blokadę ogrzewania, gdy którykolwiek z regulatorów pomieszczeniowych ma zapotrzebowanie na chłód. Unikać należy nastawiania stałej w ciągu roku temperatury nawiewu w centrali.

Używając sterowników swobodnie programowalnych, można też skorzystać z funkcji samoadaptacji parametrów. Powoduje ona, że sterownik, analizując rzeczywisty przebieg funkcji regulacyjnych centrali, automatycznie dokonuje korekty zarówno parametrów dynamicznych (P, I, D), jak i wartości pomocniczych, takich jak np. w regulacji kaskadowej temperatura nawiewu wymagana dla osiągnięcia wartości zadanej temperatury pomieszczenia. Jeżeli w wyniku takiej samoadaptacji zostanie zmniejszona np. wymagana temperatura nawiewu, to w efekcie, jeśli regulator centrali komunikuje się z regulatorem źródła ciepła, może zostać zmniejszona również temperatura wody zasilającej nagrzewnicę.

Sposobem na zminimalizowanie zużycia energii w regulacji central, zarówno z samą nagrzewnicą, jak i wyposażonych także w chłodnicę, jest właściwa regulacja układu odzysku ciepła. Wykorzystując czujniki temperatury zewnętrznej i temperatury pomieszczenia, możliwe jest odzyskiwanie chłodu z powietrza wywiewanego, gdy jest ono chłodniejsze od powietrza zewnętrznego, podczas działania funkcji chłodniczej. Funkcja odzysku energii i kierunku jego działania może też być uzależniona od porównania wartości entalpii powietrza pomieszczenia oraz powietrza zewnętrznego, co może być wykorzystywane w elementach odzysku ciepła z zachodzącą w nich wymianą masy.

Kolejny sposób na zmniejszenie zużycia energii to nocne przewietrzanie pomieszczeń. Gdy w okresie zapotrzebowania na chłód temperatura zewnętrzna jest w nocy niższa niż wymagana temperatura pomieszczenia i spodziewane są w ciągu dnia duże zyski ciepła (np. hale, obiekty handlowe), można wykorzystać funkcję przewietrzania pomieszczeń, aby uzyskać oszczędności energii potrzebnej do ich chłodzenia w ciągu dnia. Funkcja ta jest uaktywniana programem czasowym, gdy temperatura zewnętrzna w okresie sezonu chłodniczego spadnie w nocy o więcej niż 2°C poniżej temperatury zadanej pomieszczenia w okresie dziennym. Włączają się wówczas wentylatory i pracują z maksymalną wydajnością, a wyłączone są nagrzewnice i chłodnice powietrza oraz recyrkulacja.

Zużycie energii można też zredukować dzięki współpracy odzysku ciepła z zaworem regulacyjnym chłodnicy podczas osuszania. Na przykład sterowniki RMU wyposażone są w algorytm zmniejszający zużycie energii na chłodzenie dzięki współpracy odzysku ciepła z zaworem regulacyjnym na chłodnicy. Powoduje ona, że przy otwieraniu zaworu chłodnicy w celach osuszania korygowany jest sygnał do wysterowania układu odzysku ciepła do poziomu zapewniającego możliwie niską temperaturę powietrza na wyjściu z odzysku ciepła. Dzięki temu powietrze po opuszczeniu odzysku ciepła, a przed chłodnicą, ma niższą temperaturę. Funkcja ta powoduje zmniejszenie zapotrzebowania na moc chłodniczą (rys. 2).

Inne możliwości optymalizacji zużycia energii

Do dyspozycji inżynierów są też możliwości optymalizacji zużycia energii poprzez sterowanie strefami i źródłem ciepła oraz chłodu. Można zatem zaoszczędzić energię, kształtując wartości zadane temperatury zasilania odbiorników ciepła/chłodu, jak też dzięki podzieleniu instalacji z czynnikiem grzewczym lub chłodniczym na strefy. Szerokie możliwości optymalizacji zużycia energii są też na poziomie systemu zarządzającego BMS [1].

Obowiązujący w USA zbiór norm ASHRAE 90.1-2016, określający wymagania względem energooszczędności budynków, obejmuje wytyczne dla: izolacyjności przegród, sprawności źródeł ciepła, chłodu oraz ciepłej wody użytkowej, mocy właściwej wentylatorów, mocy pomp i mocy oświetlenia, a także wymaga stosowania wielu zwiększających energooszczędność rozwiązań w systemie regulacyjnym:

• poszczególne pomieszczenia muszą mieć własną regulację temperatury, tzn. ilość dostarczanego ciepła lub chłodu musi być regulowana w oparciu o pomiar temperatury w danym pomieszczeniu,
• pomiędzy nastawą wartości zadanej dla ogrzewania i chłodzenia w tym samym pomieszczeniu musi być strefa martwa (nie mniej niż 3°C),
• system HVAC musi mieć regulację umożliwiającą automatyczną redukcję wydajności ogrzewania lub chłodzenia poza okresem użytkowania pomieszczenia lub grupy pomieszczeń. Może to być realizowane poprzez program czasowy lub reakcję na zadziałanie czujnika obecności w pomieszczeniu,
• centrale wentylacyjne lub wentylatory muszą być automatycznie wyłączane poza okresem użytkowania obsługiwanych pomieszczeń,
• w centrali wentylacyjnej uniemożliwione musi być jednoczesne nawilżanie i osuszanie tego samego strumienia powietrza,
• system sterowania wentylacją musi uniemożliwiać ogrzewanie i chłodzenie tego samego strumienia powietrza (z wyjątkiem procesu osuszania),
• należy stosować regulację DCV (wentylacja zależna od potrzeb) w pomieszczeniach o wysokim (> 25 osób/100 m²) zagęszczeniu użytkowników,
• przepustnice na czerpni i wyrzutni powietrza muszą być automatycznie zamykane poza okresem użytkowania centrali lub wentylatora.

Ponadto oświetlenie wewnętrzne musi być sterowane automatycznie poprzez, w zależności od wielkości budynku i pomieszczeń, program czasowy lub czujniki obecności oraz czujniki natężenia oświetlenia. Generalną zasadą wymagań ASHRAE 90.1 co do sterowania jest to, że wyłączenie niepotrzebnego urządzenia powodującego pobór energii lub redukcja jego wydajności poza okresem użytkowania musi następować automatycznie, a nie zależeć od pamięci użytkowników.

Literatura

1. Romanowski Andrzej, Systemy regulacji automatycznej w instalacjach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Grupa MEDIUM, Warszawa 2019.PN-EN ISO 7730:2006
2. Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego.
3. ASHRAE 90.1-2016 Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings.
4. Materiały informacyjno-techniczne firmy Siemens.