Integracja systemów elektrycznych i HVAC umożliwia osiągnięcie większej efektywności energetycznej budynku, co przekłada się na obniżenie ogólnych kosztów ponoszonych na energię w trakcie jego eksploatacji.
Źródło: JBA Consulting Engineers
Dzięki integracji systemów elektrycznych i HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning – ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja) można w znacznym stopniu poprawić ogólne działanie tych systemów w budynku, a także zwiększyć ich wydajność energetyczną.
Inżynierowie konsultanci – mechanicy i elektrycy – mogą i powinni już na etapie projektowania współpracować ze sobą w celu doboru i zaprojektowania takich systemów, których działanie i wydajność energetyczna będą ulepszone w okresie eksploatacji budynku. Wiele systemów mechanicznych i elektrycznych w budynkach jest bowiem funkcjonalnie i technologicznie ze sobą połączonych – wyższa sprawność energetyczna i koordynacja w jednym systemie przekłada się na zwiększoną sprawność oraz niższy pobór energii w systemie drugim. Dlatego też pełna integracja tych systemów, najlepiej już na poziomie obiektowym, pomaga zminimalizować koszty kapitałowe podczas budowy oraz zredukować koszty zużycia energii i konserwacji budynku w okresie jego eksploatacji, a także zapewnić wysoki komfort użytkownikom budynku.
Istnieje kilka rozwiązań i obszarów, w których inżynierowie elektrycy i mechanicy mogą wzajemnie koordynować swoje prace i projektować zintegrowane ze sobą systemy. Są to: systemy automatyki budynkowej (BAS – Building Automation System), wykorzystanie napędów o zmiennej częstotliwości (VFD – Variable Frequency Drive), systemy energii odnawialnej, kogeneracja wytwarzania energii oraz dobranie energooszczędnego oświetlenia i układów sterowania.
Systemy BAS i sterowania
Fundamentem sprawnego funkcjonowania inteligentnego budynku jest system BAS. Jest on kluczowym elementem integracji systemów i układów sterowania w takim budynku. Zaawansowane systemy mogą koordynować i sterować pracą rosnącej liczby poszczególnych systemów w celu zwiększenia ogólnej sprawności operacyjnej budynku. Może to także umożliwić wdrożenie wielu programów, strategii i reakcji różnych systemów i całego budynku na zapotrzebowanie na energię. Przede wszystkim jednak dla budynków zamieszkałych przez konkretnych, indywidulanych właścicieli. Jednak należy zauważyć, że w przypadku budynków wielorodzinnych integracja systemów i podsystemów komplikuje się, dlatego należy to rozważyć w procesie projektowania. Poniżej podano kilka przykładów wykorzystania w tym celu systemów BAS właśnie do integracji systemów mechanicznych i elektrycznych w budynku.
Inteligentny system BAS wiąże pracę systemów HVAC z automatycznym sterowaniem oświetleniem pomieszczeń, zależnie od ich typu i wielkości w budynku. Na przykład układy sterowania odłączające oświetlenie wewnętrzne mogą wykorzystywać czujniki obecności, automatyczne wyłączniki czasowe lub sygnały z innych systemów budynku. Tam, gdzie układy automatycznego sterowania oświetleniem wykorzystują czujniki obecności lub czujniki ruchu, powiązanie z działaniem systemów HVAC obejmuje zarówno zmiany punktów nastaw (ang. setpoint) systemów klimatyzacji na punkty obniżonego zużycia energii w okresach nieobecności ludzi w danych pomieszczeniach (ang. setback point), jak i redukcję prędkości dopływu powietrza zewnętrznego. Z tego powodu systemy klimatyzacji powinny wyłączać ogrzewanie lub chłodzenie albo zmieniać punkty nastaw termostatów ogrzewania czy chłodzenia na punkty obniżonego zużycia energii w okresach nieużywania pomieszczeń, wykorzystując sygnały z czujników obecności. Dzięki temu można znacznie zredukować zapotrzebowanie na ogrzewanie lub chłodzenie w budynku. Inteligentne sale konferencyjne często są wyposażone w tego typu czujniki, uwzględniane już na etapie projektowania.
W obsłudze i monitoringu stanu pracy układów sterowania i zarządzania systemami HVAC coraz częściej wykorzystywane są zaawansowane narzędzia programowe, używane przez osoby obsługujące i zarządzające infrastrukturą budynków. Oprogramowanie do sporządzania harmonogramów spotkań w salach konferencyjnych może być zintegrowane z systemami BAS i pomagać w przydzielaniu terminów spotkań w jak najmniejszej liczbie sal konferencyjnych dziennie, potencjalnie maksymalizując okresy, w których nastawy termoregulatorów w salach niewykorzystywanych znajdują się w punktach obniżonego zużycia energii, a prędkość dopływu powietrza zewnętrznego i wykorzystanie oświetlenia wewnętrznego są zmniejszone.
Na przykład, jeśli w jakimś budynku znajdują się cztery identyczne sale konferencyjne, wyposażone w indywidualne strefowe regulatory przepływu powietrza, a osoby korzystające z tych pomieszczeń zgłaszają potrzebę organizacji ośmiu 1-godzinnych spotkań dziennie, bez żadnych szczególnych wymagań co do pory dnia, to program do harmonogramowania może zaproponować organizację wszystkich spotkań w jednej sali, jedno po drugim. Jeżeli ludzie zastosują się do tej sugestii przydziału sali i terminów spotkań, to pozostałe trzy sale przez cały dzień pozostaną puste, wykazując bardzo ograniczone zużycie energii na systemy HVAC.
Najgorszym scenariuszem dla celów porównawczych byłby schemat przydziału sal konferencyjnych obejmujący wykorzystanie tych pomieszczeń z przerwami trwającymi dłużej niż 30 minut. Z drugiej strony, mając na uwadze, że zmniejszenie natężenia dopływu powietrza zewnętrznego powinno wystąpić po 30 minutach od opuszczenia sali przez ludzi, oraz zakładając, że opóźnienie wyłączenia oświetlenia wyniesie 5 minut, to w tym najlepszym scenariuszu istnieje możliwość skrócenia czasu dopływu powietrza zewnętrznego oraz czasu włączenia oświetlenia pomieszczenia odpowiednio o 240 i 40 minut dziennie. Co istotne, system może mieć wbudowane opóźnienie przy przejściu ze stanu „pomieszczenie niewykorzystywane” do stanu „pomieszczenie wykorzystywane”, które uwzględnia krótkie i przejściowe korzystanie z danego pomieszczenia. Zostanie także zmniejszone zużycie energii przez system klimatyzacji, ponieważ nastawy regulatorów w trzech wolnych salach konferencyjnych będą przez cały dzień roboczy funkcjonować w punktach zmniejszonego zużycia energii.
Coraz większa popularność urządzeń mobilnych daje dodatkowe możliwości i metody optymalizacji wykorzystania różnych podsystemów infrastruktury budynków, oparte na detekcji obecności ludzi w pomieszczeniach, korzystające choćby z tzw. mikrolokalizacji.
Inteligentny system BAS pozwala także na synchronizację punktów nastaw systemów mechanicznych ze współczynnikiem obciążenia centralnej elektrociepłowni i/lub bieżącymi bądź prognozowanymi warunkami pogodowymi. To daje możliwość wykonywania szybkich pomiarów i selektywnego wyłączania obciążenia w okresach szczytowego zapotrzebowania na energię w ciągu dnia, a także realizacji programów wczesnego schładzania w niektórych instalacjach wody lodowej, w celu zmniejszenia zużycia energii podczas przewidywanych okresów wysokiego zapotrzebowania.
System BAS może także wykorzystywać istniejące hierarchie rozdziału energii, takie jak: zasilanie awaryjne, wymagane przepisami zasilanie rezerwowe, opcjonalne zasilanie rezerwowe i/lub kluczowe i priorytetowe dla firmy wyłączanie niektórych obciążeń w okresach szczytowego zapotrzebowania na energię. Mniej kluczowe obciążenia zostaną wtedy odłączone od zasilania w celu zmniejszenia zużycia energii. Układy automatycznego wyłączania zasilania dla stref niepodstawowych pozwalają na oszczędności poprzez zawarcie kontraktów z operatorami inteligentnych sieci energetycznych.
Przykładem programu celowego wyłączania zasilania, który został zbadany podczas niedawnego projektu w branży hotelarskiej, jest program oszczędnej regulacji temperatury w pomieszczeniach ruchu elektrycznego, w których nie przebywają ludzie. Pomieszczenia te są obsługiwane przez system wentylacji budynku lub system chłodzenia i podłączone są do systemu BAS. W wielu pomieszczeniach ruchu elektrycznego regulatory utrzymują zaprogramowaną temperaturę w zakresie 24–27°C, tak aby było tam tylko nieco cieplej niż w pomieszczeniach, w których normalnie przebywają ludzie, oraz by ograniczyć przepływ ciepła do przylegających przestrzeni przez nieizolowane ściany wewnętrzne.
Sprzęt elektryczny znajdujący się w tych pomieszczeniach może jednak mieć wyższą znamionową temperaturę pracy (zwykle 40°C). Na fot. 2 pokazano przykład transformatora wnętrzowego, znajdującego się w pomieszczeniu ruchu elektrycznego. Za pomocą systemu BAS operator może zezwolić na tymczasowe zmiany nastaw regulatorów temperatury w tych pomieszczeniach w okresach wysokiego lub szczytowego zapotrzebowania na energię, jeśli znajdujący się w nich sprzęt elektryczny ma wyższe znamionowe temperatury pracy oraz jest spodziewana obecność ludzi.
Napędy o zmiennej częstotliwości
Obecnie od systemów HVAC coraz częściej wymaga się regulacji zużycia energii, w zależności od różnych parametrów użytkowych i technicznych. Wymogi te są zawarte często w dodatkach do różnych norm energetycznych i mechanicznych, które wymagają stosowania systemów HVAC o zmiennym przepływie czynnika chłodniczego i powietrza. Na przykład norma ASHRAE 90.1 oraz norma IECC (dla rynku amerykańskiego) podają listy wymagań dotyczących pracy systemów HVAC ze zmiennym przepływem czynnika chłodniczego i powietrza. W wyniku tego napędy VFD sprężarek i wentylatorów klimatyzacji są fundamentalnymi komponentami systemów inteligentnych budynków, zaś ich prawidłowa integracja z instalacją elektryczną budynku jest sprawą kluczową dla utrzymywania integralności zasilania budynku. Przykład instalacji wykorzystującej napędy VFD pokazano na fot. 3.
Prawidłowo dobrane napędy VFD i ich koordynacja z systemami elektrycznymi oznacza zmniejszone zapotrzebowanie na energię elektryczną i redukcję jej zużycia oraz wyższą sprawność systemów mechanicznych. Napędy VFD umożliwiają pracę urządzeń z prędkościami dostosowanymi do wymaganego aktualnie obciążenia systemów HVAC, w przeciwieństwie do napędów z jedną ustaloną prędkością, które nie uwzględniają zmian obciążenia. Powszechną praktyką przy projektowaniu systemów jest dobór ich mocy do warunków pełnego obciążenia, co obejmuje dostosowanie mocy systemów elektrycznych do wymaganej mocy obsługiwanych przez nie systemów mechanicznych. A zatem konsekwencją niezastosowania napędów VFD do sterowania urządzeniami HVAC może być to, że system HVAC będzie pracował przy pełnej prędkości nawet w okresach zmniejszonego obciążenia energetycznego, czyli niepotrzebnie zużywał energię elektryczną.
Jednak inżynierowie dobierający parametry systemów HVAC powinni być świadomi niekorzystnego oddziaływania napędów VFD na charakterystykę poboru mocy i jakość energii zasilającej w sieci energetycznej – napędy VFD mogą generować znaczny poziom wyższych harmonicznych i wprowadzać zakłócenia do sieci. Typowe metody usuwania tych zakłóceń obejmują stosowanie przemysłowych, standardowych 6-pulsowych napędów VFD z dławikami sieciowymi o spadku napięcia 5%, wejściowych filtrów elektromagnetycznych lub częstotliwości radiowych albo dwuelementowych wyjściowych filtrów dolnoprzepustowych. Droższe napędy 12- i 18-pulsowe oraz typu AFE (Active Front End – z dwukierunkowym przepływem energii elektrycznej: z sieci i do sieci zasilającej) są także skuteczne w ograniczaniu zniekształceń harmonicznych do różnych poziomów i za pomocą różnych metod.
Zagadnienie tłumienia wyższych harmonicznych powinno być częścią procesu projektowania. Negatywny wpływ wyższych harmonicznych na instalację elektryczną obejmuje przegrzewanie się elementów połączeniowych i przewodzących prąd. Nadmierna ilość ciepła jest oddawana do otaczającej te elementy przestrzeni. To powoduje, że układ klimatyzacji musi kompensować ten nadmiar ciepła i w konsekwencji zużywać więcej energii.
Integracja systemów i kredyty LEED
Opracowanie w USA przez organizację USGBC (U.S. Green Building Council – Amerykańska Rada Budownictwa Ekologicznego) systemu oceny budownictwa ekologicznego LEED (Leadership in Energy and Environmental Design – Przewodnictwo w projektach oszczędzających energię oraz dbających o środowisko) przyczyniło się do zwiększenia świadomości znaczenia, jakie mają inteligentne i zintegrowane budynki, które całościowo integrują wszystkie systemy, w tym elektryczne i mechaniczne. Są kredyty przeznaczone na projekty systemów wydajnych energetycznie, które obniżają koszty eksploatacyjne i zwiększają sprawność energetyczną systemów i sprzętu oraz mogą stanowić wkład do otrzymania punktów LEED. Poniżej opisano jeden z kredytów dostępnych w systemie klasyfikacji LEED v4, który może stanowić wkład do rozwiązania systemów zintegrowanych.
Celem kredytu na produkcję energii odnawialnej Energia i Atmosfera (Energy and Atmosphere – EA) jest „redukcja szkodliwego wpływu zużywania energii z paliw kopalnianych na środowisko naturalne i gospodarkę przez rosnące dostawy własnej energii odnawialnej”. Smodzielne generowanie energii skompensuje ilość energii nabywanej od zakładu energetycznego, a następnie zużywanej, co w konsekwencji zmniejszy koszty energetyczne eksploatacji budynku.
Możliwymi do wykorzystania źródłami energii odnawialnej, które integrują systemy elektryczne i mechaniczne, są energetyczne systemy solarno-termalne, zwykle określane mianem systemów solarnego ogrzewania wody. Systemy te są powszechnie wykorzystywane do podgrzewania wody użytkowej w budynkach, co kompensuje koszty energii zużywanej przez tradycyjne gazowe lub elektryczne kotły i podgrzewacze wody.
Kolektory słoneczne, zlokalizowane na zewnątrz budynku, pochłaniają światło słoneczne, zaś krążenie płynu solarnego (będącego nośnikiem ciepła) lub wody wodociągowej w rurach podłączonych do kolektora powoduje przepływ energii cieplnej do zbiornika ciepłej wody użytkowej i wymiennika ciepła. Woda w zbiorniku jest podgrzewana i przechowywana tak długo, aż nie zostanie zużyta przez osoby przebywające w budynku. Chociaż systemy aktywne mogą wymagać pomp do wymuszania cyrkulacji płynu solarnego w rurach do kolektora i z powrotem, to pompy te pobierają mniej mocy elektrycznej niż porównywalne konwencjonalne elektryczne podgrzewacze wody. Na fot. 4 pokazano przykład dużej instalacji solarno-termalnej.
Niedawno, w pewnym projekcie, gdzie uzyskiwano energię z odpadów komunalnych, gazowy metan, wydzielający się z rozkładających się odpadów na wysypisku, był zbierany i przesyłany rurami do elektrowni, w której był przetwarzany i spalany w dwóch turbinach gazowych napędzających generatory wytwarzające energię elektryczną dla miejscowego zakładu energetycznego. Ta energia z turbin została wykorzystana do dostarczenia energii elektrycznej do 6000 domów mieszkalnych, a także na potrzeby własne elektrowni.
Gazowy metan, po zebraniu do rur na wysypisku śmieci, był poddawany procesowi oczyszczania w celu usunięcia z niego siarkowodoru i innych gazów śladowych. Następnie za pomocą dmuchaw zwiększano ciśnienie oczyszczonego gazu, tak że mógł on być przesłany do elektrowni znajdującej się w odległości ok. 1,6 km. Tam gaz przepływał przez chłodnice, w których następowała jego kondensacja i osuszanie. Następnie przez sprężarki i inne urządzania mechaniczne usuwające dodatkowe związki chemiczne był jeszcze raz poddawany sprężaniu w celu maksymalizacji sprawności turbin. Potem biopaliwo było przesyłane do turbin i spalane w celu generowania energii elektrycznej.
Jak już wspomniano, energia elektryczna wytwarzana przez turbiny gazowe była zużywana na miejscu, aby skompensować energię, która w przeciwnym wypadku byłaby kupowana od zakładu energetycznego, a zespół inżynierów elektryków zaprojektował i wdrożył system SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition System – system informatyczny nadzorujący przebieg procesu technologicznego i zbierający dane) w celu sterowania i monitorowania wszystkich procesów technologicznych realizowanych w elektrowni, w tym przetwarzania gazu i pracy turbin.
Fot. 4. Przykład instalacji solarno-termalnej z kolektorami. Zastosowanie systemu solarno-termalnego może obniżyć koszty eksploatacji budynku przez usunięcie kosztów konwencjonalnego, elektrycznego lub gazowego, ogrzewania wody użytkowej.
Kogeneracja – połączone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej
Pojęcie kogeneracji, określanej także mianem skojarzonej gospodarki energetycznej (Combined Heat and Power – CHP), odnosi się do dwóch lub więcej systemów, które działają razem, wykorzystując jedno źródło paliwa. Najczęściej jest to wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła użytkowego dla budynku. Proces ten generalnie jest bardziej wydajny energetycznie i zmniejsza koszty eksploatacyjne budynku, w porównaniu do systemów niezależnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Energia cieplna wytworzona w procesie kogeneracji może być także wykorzystana do chłodzenia (w klimatyzacji) lub do innych celów niezwiązanych z ogrzewaniem, takich jak chłodnictwo i osuszanie.
Systemy kogeneracji powszechnie wykorzystują jako paliwo gaz ziemny. Mogą być też wykorzystywane inne paliwa, takie jak węgiel, ropa naftowa czy alternatywnie biomasa. Kogeneracja jest najbardziej odpowiednia dla większych projektów czy budynków, w których istnieje stałe zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną, tak że inteligentny budynek może zmaksymalizować wykorzystanie energii wytworzonej przez system kogeneracji. Proces kogeneracji można najprościej wyjaśnić za pomocą obiegu Braytona (ang. topping cycle) lub obiegu Rankine’a (ang. bottoming cycle). Najczęściej spotykany jest obieg Braytona. W pierwszym etapie tego obiegu paliwo jest zwykle zużywane do wytwarzania energii elektrycznej, a następnie wydzielane ciepło „odpadowe” jest zbierane i wykorzystywane do dostarczania użytkowej energii cieplnej do innego systemu. Rzadziej spotykany obieg Rankine’a jest najczęściej stosowany w procesach przemysłowych, w których urządzania pracują w bardzo wysokich temperaturach. Tu najpierw wytwarzana jest energia cieplna, a następnie ciepło ze spalin jest odzyskiwane do wytwarzania energii elektrycznej.
W niedawnym projekcie z branży hotelarskiej zaprojektowano i skonfigurowano taki system wytwarzania energii, w którym generatory pracowały w sposób ciągły, aby nieprzerwanie dostarczać energię elektryczną do budynku. W konsekwencji tego silniki generatorów emitowały spaliny, będące użytecznym źródłem ciepła, a układy chłodzenia silników tłokowych ogrzewały wodę. Ciepło ze spalin i układów chłodzenia było odbierane i doprowadzane do wymiennika ciepła w miesiącach letnich w celu podgrzewania wody gorącej dla kuchni hotelowych. W miesiącach zimowych ciepło to było wykorzystywane do podgrzewania wody w bojlerach. To odzyskiwanie i wykorzystywanie ubocznej energii cieplnej równoważy energię, która byłaby wymagana do ogrzewania wody użytkowej, gdyby systemy te funkcjonowały niezależnie, w tradycyjnej instalacji ciepłej wody.
Energooszczędne oświetlenie i układy sterowania
Jednym z prostych sposobów redukcji kosztów energii elektrycznej i pracy systemów HVAC jest dobór i zainstalowanie energooszczędnego oświetlenia wewnątrz budynku oraz odpowiednie wykorzystanie światła dziennego, zwłaszcza w okresie letnim. Wynikiem zastosowania oświetlenia energooszczędnego, takiego jak oprawy z diodami elektroluminescencyjnymi (LED), jest między innymi zmniejszone wydzielanie się ciepła przez lampy i komponenty, co może przyczynić się do ograniczenia wykorzystania układów klimatyzacji pomieszczeń (na fot. 5 pokazano przykład typowej instalacji z oprawami LED typu downlight).
Wyprodukowane w starszych technologiach źródła światła, takie jak żarówki, świetlówki, wysokociśnieniowe lampy sodowe i metalohalogenkowe, zużywają nadmierną ilość energii elektrycznej w porównaniu z obecnie używanymi. Ponadto z opraw i stateczników wydziela się większa ilość ciepła. To z kolei wymaga od układów klimatyzacji odbierania większej ilości ciepła i zużywania większej ilości energii elektrycznej. Wykonane w nowszych technologiach źródła światła mają także dłuższą żywotność znamionową w porównaniu ze starszymi, czego wynikiem są rzadsze wymiany lamp i zmniejszona konserwacja instalacji oświetleniowych. Znamionowa żywotność żarówek wynosi zwykle około 1000 godzin, natomiast w przypadku lamp z diodami LED okres ten może przekraczać 50000 godzin.
Pomieszczenia lub obszary w budynkach mogą być wyposażone w automatyczne układy sterowania, czujniki obecności oraz zegary sterujące (możliwość zadania harmonogramów czasowych), podłączone do instalacji oświetleniowych i HVAC. Gdy w pomieszczeniach tych nie przebywają ludzie, to oświetlenie i klimatyzacja są wyłączane, aby niepotrzebnie nie zużywać energii elektrycznej. Lokalne układy sterowania i wielopoziomowe sterowanie strefami oświetlenia i termicznymi pozwalają na zredukowanie mocy pobieranej przez instalacje oświetleniowe i urządzenia HVAC w poszczególnych pomieszczeniach. Wynikiem tego może być dalsze zmniejszenie zużycia energii elektrycznej przez obydwa systemy.
Ponieważ systemy elektryczne i mechaniczne są ze sobą blisko powiązane, wszędzie tam, gdzie ulepszanie jednego systemu może pozytywnie wpłynąć na drugi, inżynierowie elektrycy i mechanicy powinni współpracować podczas opracowywania i realizacji projektu, aby skutecznie zintegrować obydwa te systemy. Pożądanym wynikiem będą niższe koszty eksploatacyjne, zaś systemy te osiągną wyższą wydajność energetyczną i będą lepiej działać w całym okresie eksploatacji inteligentnego budynku.
Autorzy:
Ryan E. Ishino jest wicedyrektorem ds. elektrycznych i dyrektorem ds. projektów w biurze w Hrabstwie Orange (Kalifornia, USA) firmy JBA Consulting Engineers. Posiada doświadczenie w wielu sektorach rynku, jak hotelarstwo, handel, opieka zdrowotna, edukacja i projektowanie elektrociepłowni.
James A. Freeman jest kierownikiem projektów mechanicznych w firmie JBA Consulting Engineers. Świadczył usługi konsultingowe przy realizacji dużych projektów mieszkalno-usługowych z branży hotelarskiej w południowo-zachodniej części USA oraz Azji Południowo-Wschodniej.
Tekst pochodzi z nr 1/2017 magazynu „Inteligentny Budynek”.
