Sledování spotřeb energie VZT jednotek od projektu po reálný provoz
Příspěvek je zaměřen na klíčové aspekty optimalizace návrhu VZT jednotek z hlediska jejich energetické náročnosti a nákladů životního cyklu. Na několika případech VZT jednotek demonstruje a porovnává výsledky výpočtu nákladů životního cyklu s vazbou na návrh jednotek, včetně doporučení k optimalizaci těchto nákladů. Závěr příspěvku se věnuje další klíčové a dosud zásadně opomíjené oblasti, kterou je průběžné a vhodně vizualizované sledování spotřeb energie VZT jednotky v reálném provozu a průběžné porovnání s projektovanými hodnotami. To pak umožňuje efektivní zásahy provozního personálu a sledování ze strany vlastníka či managementu.
Úvod
Významná část energie je spotřebována k zajištění vyhovujícího interního mikroklimatu v budovách. Vzduchotechnika představuje jednu z možností jak dosáhnout požadovaný stav vnitřního prostředí. Srdcem vzduchotechnických systému je VZT jednotka. Optimalizace provozních nákladů tohoto zařízení může významně snížit spotřebu energie budovy. Vhodným nástrojem pro takto optimalizovaný návrh VZT jednotky již ve fázi projektu stavby je výpočet nákladů životního cyklu, dále jen LCC (Life Cycle Cost).
Neméně stejně důležité jako optimální návrh jednotky je mít k dispozici nástroj, který umožní během užívání budovy sledovat skutečnou spotřebu energie a umožní kontrolovat dodržování předpokládaných provozních režimů a odhalit případné poruchy ve VZT systému.
Veličiny energetického hodnocení VZT jednotek
V technické praxi se v důsledku evropských předpisů pomalu prosazuje používání energetických hodnotících ukazatelů či kritérií, a to např. SFP a tříd energetické účinnosti.
Měrný příkon ventilátorů SFP
Měrný příkon ventilátorů SFP (Specific Fan Power) je veličinou, která hodnotí energetickou náročnost transportu vzduchu VZT jednotkou. SFP může být hodnota udávána pro celou budovu nebo pro VZT jednotku ale i pro samostatný ventilátor. Podrobněji o SFP pojednává norma ČSN EN 13779 dále jen [1]. Výpočtový vztah (1) udává SFP pro VZT jednotku s přívodní i odvodní větví.
(1)
[Ws/m3]
Třída energetické účinnosti VZT jednotek
Třída energetické účinnosti (energy efficiency class) dle organizace EUROVENT je formalizovaná metodika kategorizace jednotek do 6 tříd. Zatřídění probíhá pomocí vypočteného faktoru f, nejlepší je třída A nejhorší pak třída E. Podrobněji pojednává o výpočtu faktoru f literatura [3]. Referenční hodnoty fref pro jednotlivé třídy – viz Tab. 1.
| Class | Reference to be used in the calculations | Final check of class | ||
|---|---|---|---|---|
| All subgroups | Subgroup 1 | |||
| Velocity | Heat recovery system | Absorbed power factor | ||
| vref [m.s-1] | nref [%] | Δpref [Pa] | fref [-] | |
| A / A↕ / A↑ | 1,8 | 75 | 280 | 0,90 |
| B / B↕ / B↑ | 2,0 | 67 | 230 | 0,95 |
| C / C↕ / C↑ | 2,2 | 57 | 170 | 1,00 |
| D / D↕ / D↑ | 2,5 | 47 | 125 | 1,06 |
| E / E↕ / E↑ | 2,8 | 37 | 100 | 1,12 |
| < E / < E↕ / < E↑ | No requirements | No requirements | ||
LCC
SFP i třída energetické účinnosti poskytují částečnou představu o technických předpokladech pro nízkou spotřebu energie VZT jednotky, ale zcela určitě neposkytují ani odborníkům komplexní možnost vyhodnocení očekávatelných provozních nákladů a navíc pro laickou veřejnost je za tímto hodnocením obtížné si něco konkrétního přestavit. Hodnotou pro každého představitelnou jsou peníze. Právě hodnocení pomocí LCC poskytuje tento jasně představitelný výstup.
Hodnocení pomocí LCC zahrnuje náklady na:
- Transport a teplotně vlhkostní úpravy vzduchu
- Provoz zařízení ZZT a dalších pomocných zařízení nutných k chodu VZT jednotky
- Pořizovací cenu a údržbu VZT jednotky
- Růst cen energií během životního cyklu
Využití LCC pro optimalizovaný návrh jednotek se zpětným získáváním tepla
Obr. 1 Schéma modelované VZT jednotky se zpětným získáváním tepla
Výše naznačená úskalí energetického hodnocení se pokusíme osvětlit na tomto příkladě. Modelovaná jednotka přivádí konstantní množství vzduchu 21 500 m3.h−1, v zimě přivádí vzduch o teplotě 22 °C v létě 20 °C, jednotka je v provozu 12 hodin denně v pracovních dnech. Jednotku navrhněme ve třech variantách – viz Tab. 2.
Z Tab. 2 je patrné, že jednotka s nejnižší rychlostí v průřezu má nejvyšší pořizovací cenu, má sice nejnižší SFP a je ve třídě energetické účinnosti A, ale 1,6násobek pořizovací ceny ve srovnání s jednotkou s nejnižší pořizovací cennou, která je ale v energetické třídě E je téměř „odstrašující“. Pokud ale jednotky podrobíme LCC analýze, vyjde nám, že jednotka s nejvyšší pořizovací cenou je nejlevnější na provoz a za 15 let provozu ušetří oproti jednotce s nejnižší pořizovací cenou cca 3 790 000 Kč. Návratnost investice do větší jednotky je do 2 let.
| Velikost jednotky | Rychlost v průřezu jednotky [m.s−1] | Pořizovací cena jednotky [Kč] | Příkon ventilátorů [kW] | SFPE [W.m−3.s] | Třída energetické účinnosti | LCC za 15 let [Kč] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 1,95 | 1 013 755 | 17,29 | 2 894 | A | 9 646 471 |
| 3 | 3,04 | 644 815 | 20,98 | 3 595 | D | 11 749 125 |
| 4 | 3,86 | 625 100 | 27,59 | 4 620 | E | 13 436 628 |
Využití LCC pro optimalizaci návrhu jednotek s polytropickým vlhčením
Obr. 2 Úprava vzduchu v zimním období v h-x diagramu, při použití teplotního ROV
Dle WHO v roce 1984 pociťovalo 30 % osob v moderních zemích tzv. Sick Building Syndrom, v roce 2002 již tento syndrom pociťovalo 60 % osob. Podrobněji o SBS – viz zdroj [4]. Jako jedna z hlavních příčin je uváděna nedostatečná kvalita interního mikroklimatu budov. Jedním z parametrů interního mikroklimatu je relativní vlhkost vzduchu v místnosti.
Dle normy [1] by minimální měrná vlhkost v zimní období měla být alespoň 6 g.kgsv−1. Pokud v zimním období nepoužijeme ve VZT jednotce zvlhčovač a v místnosti nejsou významné zdroje vlhkosti, tak této hodnoty stěží dosáhneme – viz Obr. 2. Požadovaný stav přiváděného vzduchu je na Obr. 2 označen kruhem.
Obr. 3 Uspořádání jednotky s ROV a parním vlhčením
Možností jak dosáhnout požadované vlhkosti přívodního vzduchu je např. parní vlhčení, které ovšem přináší nezanedbatelné zvýšení spotřeby energie. Pokud v modelové jednotce místo tradičního teplotního ROV použijeme výměník v provedení se speciální povrchovou úpravou k zvýšení přenosu vlhkosti tzv. vlhkostní, který však zvýší pořizovací cenu VZT jednotky, pak můžeme významně redukovat spotřebu energie na vlhčení. Výslednou úsporu si demonstrujme LCC analýzou jednotky s běžným teplotním ROV a jednotky s tzv. vlhkostním ROV. Jednotka je uspořádána dle Obr. 3.
Jednotka je v provozu pouze v zimním období, množství přiváděného vzduchu 15 000 m3.h−1, teplota přívodního vzduchu 22 °C, požadovaná měrná vlhkost přívodního vzduchu 8 g.kgsv−1. Souhrnné výsledky udává Tab. 3.
| Typ ROV v jednotce | Rychlost v průřezu [m.s−1] | Pořizovací cena jednotky [Kč] | Příkon ventilátorů [kW] | SFPE [W.m−3.s] | Třída energetické účinnosti | LCC za 15 let [Kč] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Teplotní | 2,69 | 773 466 | 11,23 | 2 697 | A | 11 859 056 |
| Vlhkostní | 2,69 | 867 000 | 11,36 | 2 726 | A | 8 531 102 |
Z Tab. 3 plyne, že kdybychom pro hodnocení jednotek použili pouze SFP a třídy energetické účinnosti pak by se jednotky zdály technicky téměř totožné. Pokud jednotky ale analyzuje pomocí LCC, tak vidíme, že jednotka s vlhkostním ROV za 15 let provozu ušetří oproti jednotce s teplotním ROV cca 3 320 000 Kč. Návratnost zvýšené investice do jednotky s vlhkostním ROV je do 1 roku. Hlavním důsledkem použití vlhkostního kola je tedy snížení provozních nákladů, dalším přínosem je snížení potřebného elektrického příkonu pro VZT jednotku a tudíž i nižší náklady na elektroinstalaci, které nejsou součástí pořizovacích nákladů v LCC.
Sledování spotřeb energie VZT jednotky během provozu
Oblastí dosud zcela opomíjenou je uživatelsky přívětivé časové sledování skutečného provozu VZT jednotek. Monitorováním provozu můžeme odhalit dodržování předpokládaných provozních režimů, detekovat neodborné zásahy do systému MaR, případně pomoci odhalit poruchy v instalacích souvisejících s VZT jednotkou. Klíčové je mít dostupný a uživatelsky přívětivý software pro takovýto monitoring provozu, který dokáže porovnat předpokládanou spotřebu energie dle projektového stavu a spotřebu vypočtenou dle skutečně naměřených dat.
Podobně jako u posuzování energetické náročnosti, kde pouze LCC dává srozumitelné a komplexní výsledky je pro sledování provozu VZT zařízení nezbytné, aby poskytnutá data byla srozumitelná a využitelná pro účinný zásah do VZT systému. Na následujících obrázcích je demonstrován postup odhalení příčiny vyšší spotřeby energie na chlazení.
Obr. 4 Porovnání spotřeb předpokládaných a skutečných
Obr. 4 je příkladem jak specifický software navázaný na data řídicího systému VCS umožní uživateli odhalit, že ve sledovaném období dochází k vyšší spotřebě energie na chlazení, než byl projektový předpoklad. Tato zvýšená spotřeba může být způsobena jinými klimatickými podmínkami oproti předpokladu nebo změnami v nastavených parametrech provozních stavů oproti projektu. Dle Obr. 5 poté uživatel zjistí, že požadavek na chlazení daný rozdílem vnitřní a venkovní teploty tzv. degree hour byl shodný s předpokladem ale, že ventilátory běžely na vyšší výkonový stupeň, než byl projektový předpoklad. Může pak provést analýzu příčin a příp. korigovat zásahy obsluhy či nastavení řídicího systému.
Obr. 5 Náklady na energii pro chlazení v porovnání s provozem
Závěr
LCC analýza uvažuje s dominantními vlivy na stanovení nákladů na spotřebovanou energii a poskytuje jasně představitelný výstup ve formě nákladů na provoz zařízení. Z hlediska hodnocení nákladů na provoz VZT jednotek se tento nástroj jeví jako nejobjektivnější. Nejvhodnější dobou pro využití LCC analýzy je projektová fáze a proto je významné, aby výrobce VZT jednotky důkladně ovládal metodiku výpočtu LCC a mohl poskytnout projektantovi relevantní data.
Neméně důležité je sledování provozu instalovaného zařízení pomocí uživatelsky přívětivého nástroje, které odhalí neodborný zásah do provozních režimů, a může pomoci identifikovat poruchy v souvisejících instalacích, což při včasném odhalení vede k dosažení předpokládaných spotřeb energie. V tomto ohledu je nové generace řídícího systému VCS a na něj navazující software průlomovým počinem zejména v oblasti řídících systému pro necentrální instalace.
Literatura
- [1] ČSN EN 13779 Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační systémy, 2010
- [2] Recommendations for Calculations of Energy Consumption for Air Handling Units, Paris, 2005
- [3] Energy Efficiency Classification of Air Handling Units (update 30/01/2010), Paris, 2010
- [4] http://cs.wikipedia.org/wiki/Syndrom_nezdravych_budov
Seznam označení
- Ppvm
- elektrický příkon motoru v přívodní větvi [W]
- Povm
- elektrický příkon motoru v odvodní větvi [W]
- qmax
- větší z průtoku v odvodní nebo přívodní větvi VZT jednotky [m3.s−1]
- f
- absorbed power factor
Seznam zkratek
- LCC
- life cycle costs, náklady životního cyklu
- ROV
- rotační výměník zpětného získávání tepla
- VZT
- vzduchotechnická/ých
- WHO
- World Health Organization
- ZZT
- zpětné získávání tepla
The paper is focused on key aspects of design optimization of HVAC units from their energy consumption and from life cycle costs LCC point of view. This paper demonstrates and compares results from life cycle costs calculation with bonds to unit design including optimizing these costs in several cases of HVAC units. Last part of paper is dedicated to other key areas which were neglected until now, like continuous and appropriately monitoring of energy consumption of HVAC unit in real operation and continuous comparison with designed values. Therefore it allows effective interventions of operating staff and monitoring by owner or management.
