15.05.2019

Metody optymalizacji zużycia energii w istniejących systemach HVAC

NARZĘDZIOWNIA
Zarządzanie kosztami

Umiejętność sprawnego i skutecznego kontrolowania kosztów to dla osób zarządzających nieruchomościami każdego rodzaju, jedna z podstawowych umiejętności. Wraz z tym cyklem eksperckich artykułów dowiesz się jak zarządzać kosztami na wielu poziomach.

Zobacz treści w tej kategorii:
Oszczędność energii w obiektach magazynowychWycena nieruchomości a koszty eksploatacyjneCzęść II - Zarządzanie kosztami z uwagi na zapisy umowy najmuCzęść I. CapEx czy OpEx w fazie operacyjnej nieruchomości. Zarządzanie kosztami z uwagi na przepisy podatkowe.
Coaching dla zarządców nieruchomości
Serwis czystości

Poznaj najlepsze praktyki utrzymania czystości powierzchni w obiektach komercyjnych. Dowiedz się w jaki sposób współpracować z podwykonawcami i jak sprawić by Twój serwis czystości okazała się efektywny.

Zobacz treści w tej kategorii:
Szorowarki Kärcher!Nie zaniedbuj marmuruPiękne jak naturalne drewno, wytrzymałe jak wykładzina elastycznaTechnologia eco!efficiency Kärcher- więcej za mniejInwestycja w płytki gresowe- dobry wybór?Umowa z serwisem sprzątającym- najważniejsze aspekty współpracy. Część 2Umowa z serwisem sprzątającym- najważniejsze aspekty współpracy. Część 1
Porady prawne dla zarządców

Skupmy się na dwóch ważnych elementach składowych systemów HVAC w obiektach komercyjnych: są nimi urządzenia zapewniające wentylację (centrale wentylacyjne) oraz klimatyzację (agregaty wody lodowej). Dodatkowo zgłębmy, nieznane szerszemu gronu, rozwiązania poprawiające efektywność energetyczną central wentylacyjnych oraz chillerów.

Niepewność cen na rynku energii elektrycznej ciągle trwa. W momencie pisania tego artykułu media informowały, że minister energii Krzysztof Tchórzewski zapowiedział, że wydanie rozporządzenia w sprawie cen prądu będzie mieć miejsce do końca marca. Miejmy nadzieję, że przedstawiciel rządu spełnił swoje zapowiedzi i pozwolił rynkowi na realne planowanie swoich przedsięwzięć w 2019 r. Należy jednak pamiętać, że ustawa z grudnia 2018 to rozwiązanie tymczasowe, mające na celu zamrożenie cen energii elektrycznej tylko w 2019 r. Oznacza to, że perspektywa wyższych cen prądu w kolejnych latach to realne wyzwanie dla gospodarki.

Świadomy i patrzący perspektywicznie zarządca nieruchomości powinien rozważyć dostępne rozwiązania z obszaru HVAC, które według opracowań mogą stanowić średnio 25% całkowitych kosztów funkcjonowania nieruchomości. Jest to obszar zdecydowanie warty analizy pod względem działań prowadzących do poprawy efektywności.Warto przyjrzeć się dostępnym technologiom, które w dłuższym horyzoncie czasowym pozwolą przygotować się na nowe, wyższe ceny energii elektrycznej, które mogą się „odmrozić” już w 2020 r.

Jestem przekonany, że Czytelnicy znają sentencję „Właściwe planowanie podstawą sukcesu”. Etap projektowania układów HVAC jest bardzo ważnym miejscem na określenie wymaganych klas energetycznych wybranych produktów. Kompleksowe podejście do etapu projektowego pozwoli korzystać z najlepszych dostępnych technologii.

Urządzenia o dużej sprawności energetycznej całkiem sporo kosztują, jednak ich wysoka efektywność przy częściowych obciążeniach dla eksploatacji w ciągu całego roku może przynieść zwrot zainwestowanych środków w atrakcyjnym horyzoncie czasowym, szczególnie ze względu na zawirowania cen energii elektrycznej na rodzimym rynku. Główne zadanie inwestorów polega na tym, aby zadbać o właściwą jakość zainstalowanych urządzeń. Jakie aktywności mogą podjąć podmioty, które zarządzają już pracującą infrastrukturą?

Centrale wentylacyjne – sposoby na poprawę efektywności

Dbanie o właściwy stan techniczny urządzeń i przeprowadzanie przeglądów serwisowych wielokrotnie było opisywane w czasopismach branżowych. To jest działanie, które kierownicy techniczni obiektów zawsze powinni respektować. Wszyscy wiemy, że dbałość o stan techniczny pozwoli pracować jednostkom z najwyższą sprawnością, jaką oferują wykorzystane komponenty. Jednocześnie w trakcie przeglądów okresowych wymienia się filtry. Dobór i stosowanie filtrów według kryterium energochłonności zostało profesjonalnie opisane w numerze 2/2018 „Real Estate Managera” w artykule Jak zadbać o powietrze i klimatyzację w obiektach handlowo-usługowych?. Przy wyborze dostawcy filtrów zdecydowanie zachęcam do wnikliwej weryfikacji oferty, szczególnie teraz, kiedy obowiązuje nowa norma doboru filtrów PN-ISO16890. Profesjonalni producenci filtrów (np. Afpro Filters) pomogą właściwie określić i wybrać rodzaj filtrów do stosowanych aplikacji.

Dbanie o czysty stan filtrów i stan techniczny urządzeń to tylko część aktywności, które poprawiają wydajność układów HVAC. Kolejnym krokiem są już rozwiązania, polegające na prostych modernizacjach urządzeń. 

Tylko w jaki sposób zwiększyć sprawność central wentylacyjnych, które zostały już zainstalowane na zarządzanym obiekcie? Udzielenie odpowiedzi na tak postawione pytanie wydaje się trudne. Analiza komponentów w centralach wentylacyjnych, zużywających energię elektryczną, prowadzi nas do wniosku, że wentylatory są największym odbiornikiem energii. Wynika to z faktu, że wentylacja mechaniczna często pracuje po 24h przez 365 dni roku. Stąd nawet nieduże różnice w mocy silników i sprawności przekładają się na wymierne oszczędności finansowe. Wiele central w istniejących obiektach to jednostki wyposażone w drogie w eksploatacji silniki o niskiej sprawności.

W ostatnich latach dużą popularność na światowym rynku zyskały silniki bezszczotkowe z magnesami stałymi. Zapewniają one liniową zależność między momentem obrotowym a prędkością obrotową. W praktyce przekłada się na bardzo wysoką sprawność w szerokim zakresie pracy, co jest ich ogromną zaletą.

Na rynku istnieją już rozwiązania, pozwalające przeprowadzić modernizację układów napędowych w układach wentylacyjnych. Chcąc pokazać potencjał rozwiązania, zaprezentowane zostaną dwie opcje:

- dobór centrali (z silnikami AC z falownikiem oraz PM) spełniających wymagania Rozporządzenia „Ekoprojekt”,

- przykład modernizacyjny.

Tworząc dzisiaj projekt HVAC, dostawcy central muszą zapewnić określone sprawności energetyczne. Jeśli jesteśmy inwestorem, nadal możemy zdecydować się na technologię, która przekracza minimalne sprawności.

Przykład: Centrala Geniox nawiewno-wywiewna (V= 40 000 m3/h z obrotowym odzyskiem ciepła). Różnica w zużyciu energii wynosi 6% rocznie. Przy cenie energii elektrycznej na poziomie 500 PLN/MWh oszczędność wynosi 3000 PLN. Pozornie wydaje się to nieatrakcyjna wartość. Jednak biorąc pod uwagę fakt, że cena central (źródło Systemair) z różnymi rodzajami silników (AC vs. PM) kształtuje się na zbliżonym poziomie, to od momentu rozpoczęcia użytkowania centrali inwestor/użytkownik zyskuje oszczędność energii w odniesieniu do minimalnej dopuszczalnej sprawności. Jeśli mamy wpływ na projekt, warto sprawdzać i rozważać zastosowanie nowych technologii, a na etapie realizacji zadbać o zainstalowanie zaprojektowanych jednostek. W starszych centralach, które były dostarczane przed wprowadzeniem Rozporządzenia „Ekoprojektu”, klasa sprawności silników z reguły jest niższa niż IE3 (który obecnie zapewnia minimalną wymaganą sprawność), gdzie potencjał oszczędności jest jeszcze większy. W tym obszarze pojawia się możliwość znacznej poprawy efektywności układów napędowych wentylatorów.

Studium przypadku – Urząd Ruchu Drogowego w Zurychu

W hali testowej wykonuje się techniczne badania pojazdów. Aby zapewnić płynny przebieg prac, niezbędna jest niezawodna wentylacja hali.

System wentylacyjny hali testowej wcześniej napędzano silnikiem dwustopniowym (4/6 biegunowym) o mocy 24/8kW. Aby dostosować napęd do najnowszego, energetycznego poziomu, konieczna była odpowiednia modernizacja. W marcu 2018 r. inwestor zdecydował się na wykorzystanie silników z magnesami stałymi. Dla przykładu porównanie z silnika PM w klasie IE4 z silnikiem asynchronicznym w klasie IE3 (który obecnie zapewnia minimalną wymaganą sprawność) – moc badana 4 kW.

System wentylacji w hali testowej został zmodernizowany w ciągu zaledwie kilku godzin. Po pomiarze wydajności wcześniejszej instalacji dokonano prostej przebudowy, ponieważ konieczne były jedynie niewielkie zmiany w instalacji. Po przeprowadzonej modernizacji drugi pomiar wydajności wykazał oszczędności w zmniejszeniu zużycia energii elektrycznej rzędu 42%. Jednocześnie można odpowiednio sterować wentylacją hali testowej, dostosowując ją do potrzeb. Ogromny zysk na obniżeniu zużycia energii elektrycznej pozwolił na uzyskanie stopy zwrotu z inwestycji (ROI) już po 14 miesiącach od modernizacji.

Źródło chłodu w układach HVAC – agregaty wody lodowej

Kolejny energochłonny element układu HVAC stanowią wytwornice chłodu często nazywane agregatami wody lodowej. Tak jak w centralach – przeglądy techniczne powinno wykonywać się zgodnie z zaleceniami producenta, pamiętając szczególnie o utrzymywanie w czystości skraplaczy powietrznych.

Wiele rozwiązań poprawiających ich efektywność wymaga specjalistycznych i drogich modernizacji. Stosowane rozwiązania to:
- wymiana sprężarek stałowydajnościowych na inverterowe,
- montaż wymienników częściowego odzysku ciepła,
- montaż elektronicznych zaworów rozprężnych,
- montaż regeneracyjnych wymienników ciepła.

Rachunek ekonomiczny zastosowania rozwiązań ingerujących w układy chłodnicze wypada niekorzystnie i w najbardziej optymistycznych przypadkach skutkuje odłożeniem modernizacji „na później”. Istnieje jednak zjawisko fizyczne, którego wykorzystanie nie wymaga od inwestora dużych nakładów finansowych, zapewniając zauważalną poprawę efektywności i osiąganie wymiernych oszczędności energii elektrycznej. Tym zjawiskiem jest chłodzenie adiabatyczne. Z uwagi na to, że wydajność i sprawność sprężarkowych układów chłodniczych jest zmienna i bezpośrednio zależy od temperatury powietrza zewnętrznego, warto dążyć do poprawy warunków pracy agregatów wody lodowej. Na wykresach przedstawiono zależności mocy chłodniczej i poboru energii elektrycznej przez sprężarki dla trzech producentów. Powinniśmy pamiętać jeden bardzo ważny wniosek, prawdziwy dla wszystkich sprężarkowych urządzeń chłodniczych:

Im niższa temperatura powietrza dopływającego do skraplacza urządzenia chłodniczego, tym większa moc chłodnicza i mniejsze zużycie energii elektrycznej przez sprężarki.

Średnio wraz ze spadkiem temperatury powietrza zewnętrznego o 1°C zyskujemy:

Qch +1,2%/°C

 Pel  -1,4%/°C

Wykorzystując adiabatyczne chłodzenie powietrza przepływającego przez chillery, nie tylko zwiększamy wydajność i sprawność, ale również przyczyniamy się do wydłużenia żywotności urządzeń. Systemy adiabatyczne schładzają powietrze dzięki rozpylaniu wody przed skraplaczem lub korzystają ze specjalnych złóż lub siatek montowanych na wlocie do skraplaczy. W zależności od przyjętej technologii układy adiabatyczne są w stanie obniżyć od kilku do kilkunastu stopni. Odnosząc się do powyższych zależności (wzór), wartości redukcji zużycia energii elektrycznej może być obiecująca.

Wizualizacja montażu rozwiązania chłodzenia adiabatycznego firmy Systemy SCA sp. z o.o.

Ciekawe rozwiązania oparte na technologii chłodzenia adiabatycznego oferuje rodzima firma Systemy SCA. Moduły natryskowe z siatkami montuje się do urządzeń przy użyciu bardzo mocnych magnesów neodymowych (brak ingerencji w konstrukcję), wykorzystywana woda jest poddawana procesowi elektromagnetycznego uzdatniania, eliminując powstawanie osadów wapnia i uszkodzenia skraplaczy czy układu sterującego (z dostępem do chmury, obliczającego osiągnięte oszczędności energetyczne).

Przykład aplikacji układ chłodzenia adiabatycznego SCA na agregacie Syscroll 900 Air EVO CO

Zastosowanie SCA pozwoliło na obniżenie zużycia energii elektrycznej z 199MWh do 164MWh co stanowiło oszczędność 18% w skali roku.

Poprawa efektywności dzięki wykorzystaniu zjawiska odparowania wody jest szansą dla zarządców i właścicieli, którzy aktywnie poszukują rozwiązań optymalizujących koszty eksploatacji urządzeń zamontowanych na swoich obiektach.

Podsumowanie, czyli na co zwrócić uwagę?

Reasumując, obecnie na rynku dostępne są już rozwiązania pozwalające na prostą modernizację jednostek wchodzących w systemy HVAC, w celu poprawy ich efektywności i sprawności. Analiza struktury wydatków na utrzymanie budynków (OPEX) pozwala wytypować największych konsumentów energii elektrycznej w układach wentylacji i klimatyzacji. Warto szczególnie zainteresować się układami napędowymi w centralach wentylacyjnych oraz agregatami wody lodowej. Oferowane na rynku rozwiązania pozwalają w ekonomiczny i prosty sposób zapewnić oszczędności w zużyciu energii elektrycznej, której ceny systematycznie rosną. Już dziś facility managerowie oraz właściciele budynków powinni rozważyć oferty firm, które mogą pomóc w zwiększeniu swoich zysków operacyjnych. W przypadku pozytywnych rezultatów zapewniających wzrost efektywności urządzeń poddanych modernizacji inwestorzy uzyskają wartość dodaną dla swoich nieruchomości: generowanie wyższych zysków operacyjnych czy strategiczne przygotowanie się na niepewną przyszłość na polskim rynku energii elektrycznej.

 

Autor: Radosław Sosnowski, Systemair SA/Systemy SCA