Aby wykorzystać możliwości oszczędzania energii w systemach HVAC, inżynierowie muszą zmienić sposób myślenia w obszarze regulacji i ustalania temperatur w systemach podgrzewania wody, gdyż obecnie w rozwoju układów grzewczych i chłodzących obserwuje się trend w kierunku zrównoważonego rozwoju.
Wykres (wydajność kotła grzewczego a temperatura wody powrotnej) pokazuje wzrost wydajności kotła grzewczego wraz ze spadkiem temperatury wody powrotnej. Należy zwrócić uwagę na duży wzrost wydajności, gdy kocioł działa przy niskiej temperaturze spalania i wody powrotnej.
Począwszy od epoki palenia ognisk, przy których ludzie się ogrzewali, aż po nowoczesne kondensacyjne piece grzewcze, ogrzewanie wymaga zazwyczaj spalania jakiegoś materiału, aby wytworzyć energię cieplną. Kilka dekad temu infrastruktura produkcji ropy naftowej w Stanach Zjednoczonych, która była wykorzystywana w czasie II Wojny Światowej, zapewniała tanią ropę w dużych ilościach. W tamtym okresie (od końca lat czterdziestych i przez lata pięćdziesiąte dwudziestego wieku) Amerykanie zdecydowali, że nie chcą już wykorzystywać węgla do zasilania pieców grzewczych, a o wiele łatwiej będzie im regulować termostaty i spalać ropę. Dlatego też wiele węglowych pieców grzewczych przystosowano wtedy do spalania ropy naftowej, montując palniki do spalania tego paliwa.
Większość wczesnych systemów grzewczych (komercyjnych i mieszkalnych) była systemami parowymi o niskim ciśnieniu oraz systemami ogrzewania wody zasilanymi grawitacyjnie. Niektóre z nich wciąż są w użyciu. Gdy kryzys energetyczny Organizacji Krajów Eksportujących Ropę Naftową (OPEC) wybuchł we wczesnych latach siedemdziesiątych, ropa naftowa zaczęła się wyczerpywać, a ceny tego paliwa wzrosły drastycznie po raz pierwszy od 25 lat (od 21 dolarów za baryłkę do 52 dolarów za baryłkę). Wtedy też Amerykanie przyjrzeli się bliżej kwestii efektywności energetycznej i pojawiło się określenie „wydajność pieca grzewczego“.
Od lat siedemdziesiątych branża zaczęła opierać się na wodnych systemach ogrzewania, zazwyczaj będących połączeniem sprzętu zasilanego ropą i gazem. W tych systemach uzyskiwano temperaturę od 180 do 200°F z delta T o wartości 20°F (82 do 93°C, delta T 11°C), podgrzewając wodę dla wszystkich urządzeń (w tym centrów wentylacyjnych, klimakonwektorów, wentylatorów i nagrzewnic powietrza). Zazwyczaj osiągały one rewolucyjne na tamte czasy 80% wydajności dla systemów ogrzewania wodą z kotłami atmosferycznymi lub z wentylatorami nadmuchu. Niektóre z tych kotłów mogą nawet osiągać poziom 82% rocznej wydajności zużycia paliwa (annual fuel-utilization efficiency — AFUE), ale technologicznie ogranicza je wymagana wyższa temperatura wody powrotnej, aby zapobiec kondensacji w piecu.
Efektywność energetyczna
Diagram przedstawia typowy, podwójny kocioł grzewczy o niskiej temperaturze orurowania powrotnego. Im niższa temperatura wody powrotnej, tym większa wydajność kotła.
W ciągu ostatnich 15 lat branża HVAC doświadczyła radykalnej zmiany w zakresie projektowania pieców grzewczych i pozostałego sprzętu HVAC, w kierunku uzyskiwania ich wysokiej wydajności. Dotyczy to przede wszystkim silników, zastosowania napędów o zmiennej częstotliwości (variable frequency drive — VFD), chłodnic, jednostek kondensujących, pieców grzewczych, pieców, odzyskiwania ciepła i sterowników. Co ciekawe nowe kodeksy prawne i normy energetyczne, narzucają surowe wytyczne dotyczące wydajności silników i sprzętu chłodzącego, ale wiele z nich jeszcze nie osiągnęło pełnego potencjału nowoczesnych projektów pieców grzewczych. Na przykład International Energy Conservation Code (międzynarodowy kodeks oszczędności energii) z 2012 roku (z poprawką z 2014 roku) wciąż pozwala na zastosowanie pieców grzewczych zasilanych gazem i pieców o wskaźniku AFUE o wartości 78%. Oczywiście taki poziom efektywności pracy jest akceptowalny dla małych parowych pieców grzewczych, ale nie dla dużych zakładów.
Poprawę całkowitego zużycia energii budynku można osiągnąć dzięki wielu rozwiązaniom i strategiom organizacji systemów grzewczych oraz układów ich sterowania. Na przykład wynalezienie i szerokie zastosowanie systemów sterowania bezpośredniego (direct digital control —DCC) oraz modułów VFD to spełnienie marzeń inżynierów i technologów grzejnictwa. Technologie te pozwalają im na nieograniczone projektowanie sekwencji sterowania pracą urządzeń grzewczych. Odzyskiwanie ciepła jest kolejnym elementem dostępnym dzięki powszechnie stosowanym wymiennikom kołowym i wysoko wydajnym systemom odzyskiwania ciepła o wydajności 75%.
Typowy zakład kotłów kondensacyjnych 3 500kW w Albany, N.Y. Kotły kondensacyjne mają zazwyczaj stosunkowo niewielki ślad węglowy w porównaniu z ich wydajnością.
W branży ciepłowniczej do powszechnie stosowanych obecnie pojęć należą: budynki zeroenergetyczne (net zero energy — NZE) czy projektowanie budynków o wysokiej efektywności energetycznej (high-performance building design — HPBD). Oba te pojęcia biorą pod uwagę nie tylko projektowanie systemów mechanicznych infrastruktury budynkowej, ale też budynek i jego infrastrukturę systemową jako całość, w tym jego konstrukcję szkieletową, badania nad wykorzystaniem światła dziennego, oświetlenie typu LED, zużycie wody itd. Takie kompleksowe podejście jest coraz częściej wymagane przez klientów, aby oszczędzać pieniądze przy inwestycji i podnieść ogólną wydajność energetyczną i funkcjonalną budynku. Dziesięć lat temu typowy właściciel budynku biurowego w Północnowschodniej części Stanów Zjednoczonych byłby zadowolony wykorzystując 80 do 120 kBTU/stopę kwadratową/rok (252 do 392 kWh/m2/rok). Dzisiaj od takiego samego budynku oczekuje się jedynie 30 do 60 kBTU/stopę kwadratową/rok (95 do 189 kWh/m2/rok).
Nawet biorąc pod uwagę osiągnięty postęp i innowacje, w większości wypadków wciąż konieczne jest spalanie jakiegoś paliwa, aby zbliżyć się do idealnego poziomu NZE. Tu wracamy do kotłów kondensacyjnych. Dzięki rozszerzającej się krajowej sieci gazu ziemnego, dostępne jest czyste paliwo, które można wykorzystać efektywnie w kotłach kondensacyjnych. Dzięki niższej temperaturze wody powrotnej, możliwe jest przechwycenie większych ilości ciepła utajonego w czasie pracy kotła w trybie kondensacyjnym.
Aby wykorzystać ten potencjał oszczędności energii, inżynierowie i projektanci muszą zmienić podejście do regulacji i ustalania temperatur w systemach ogrzewania wodą. Przykładem może być niedawny projekt kilku rodzajów dużych budynków wykorzystujących zasilanie gorącą wodą o temperaturze zaledwie 130°F (54°C) i delta T od 20 do 30°F (10 do 15°C), w porównaniu z zasilaniem wodą o temperaturze 180°F (82°C). Ta niewielka zmiana w projekcie podnosi całkowitą efektywność zakładu grzewczego od nieco ponad 80%, do poziomu około 95%, w zależności od współczynnika spalania kotła i temperatury zasilania wodą grzewczą (heating-water-supply — HWS).
Efektywność kotła grzewczego
Panel sterowania kotła kondensacyjnego pracującego w warunkach zimowych. Kocioł wytwarza wodę gorącą o niskiej temperaturze 52°C przy temperaturze zewnętrznej 4°C.
Im niższa temperatura wody powrotnej tym wyższa efektywność kotła grzewczego. Niektórzy producenci kotłów grzewczych zastosowali podwójne połączenie powrotne w kotle, aby umożliwić powrót wody grzewczej, a także powrót wody w domowym systemie ogrzewania wody i systemie topienia śniegu, zmniejszając całkowitą temperaturę wody powrotnej do docierającej do kotła. Ponadto działanie wielu kotłów grzewczych w warunkach niższych współczynników spalania, dopasowanych do zasilania, może dać wzrost wydajności zakładu grzewczego o 2%.
Komplikacje związane z wykorzystaniem niskotemperaturowych kotłów wody gorącej (low-temperature hot water — LHTW) obejmują wyzwania związane z projektowaniem, kwestie związane z działaniem i większy koszt urządzeń końcowych. Do tej pory jednym z największych wyzwań czy przeszkód związanych z projektowaniem systemów grzewczych był dobór i uzyskanie najbardziej wydajnego sprzętu. Większość znaczących producentów central wentylacyjnych (air handling unit — AHU) oferuje możliwość doboru wężownic dla kotłów LHTW.
Niektórzy producenci systemów zmiennego przepływu powietrza (variable air volume — VAV) wykorzystują większe wężownice, które zazwyczaj wymagają przejściówki na końcu systemu (co zwiększa całkowity rozmiar systemu VAV) lub montażu kanałowego. Nagrzewnice, szafki nagrzewnic, dmuchawy i wentylatory muszą być większe, aby móc wykorzystać większy obszar wężownic i mniejszą prędkość wentylatorów, a dzięki temu wykorzystać nowe możliwości projektu. W niektórych przypadkach projektanci muszą wykorzystywać małe AHU zamiast wentylatorów lub dmuchaw, aby uzyskać skuteczność systemu na oczekiwanym poziomie. Ponieważ LTHW wymaga większych wężownic i urządzeń końcowych, koszt sprzętu jest nieco wyższy.
Należy jednak uważać, stosując konwektory, radiatory z rur żebrowanych i radiatory panelowe przy stosowaniu kotłów LTHW, gdyż efektywność sprzętu LTHW zazwyczaj nie jest podawana przez producentów. Dlatego większość systemów LTHW (poza ogrzewaniem podłogowym lub systemami topnienia śniegu) jest zazwyczaj systemami powietrznymi.
Wykorzystanie wody o temperaturze 180°F (82°C) daje wysoką temperaturę wody zasilającej. Jest to pożądane, gdyż pozwala na zmniejszenie powierzchni wężownic, tworząc wbudowany czynnik bezpieczeństwa równoważący te godziny, kiedy temperatura zewnętrzna spada poniżej dostępnych danych pogodowych. Z drugiej strony systemy LTHW dają bardzo niskie temperatury wejścia, co eliminuje ten czynnik bezpieczeństwa. Czujna kontrola obliczeń i doboru sprzętu, zazwyczaj daje wystarczające informacje projektantowi, ale również inne czynniki związane z konstrukcją mogą stanowić wyzwanie lub udaremnić powstanie dobrego projektu. Tutaj pomóc może system sterowania i przemyślana, strategiczna sekwencja pracy.
Z punktu widzenia pracy systemu w większości wypadków budynek z systemem LTHW będzie działał, dopóki temperatura powierza zewnętrznego nie spadnie o 10° do 30°F (5° do 15°C) temperatury projektowej. Aby zabezpieczyć się przed tymi kilkoma godzinami w ciągu roku, inżynierowie powinni rozważyć umożliwienie systemowi sterowania z przyrostowym zwiększaniem temperatury systemu LTHW do obciążenia budynku. Inne strategie to umożliwienie systemowi VAV chwilowego działania powyżej poziomu minimalnego i wcześniejszego rozpoczęcia porannego rozruchu. Te niewielkie odchyłki w działaniu, przynoszą znaczące korzyści i nie generują zauważalnych strat energii.
Systemy LTHW szybko stają się standardem w branży, skłaniając producentów sprzętu do modernizacji swoich urządzeń, aby mogły spełnić potrzeby systemów w przyszłości. Ponadto większość firm dostarczających gaz oraz władze i podmioty odpowiedzialne za politykę energetyczną, oferują dopłaty pozwalające zmniejszyć wzrost kosztów zastosowania systemów LTHW. W zależności od punktu odniesienia, te systemy mogą zwiększyć efektywność zakładu grzewczego o nawet 15%.
Efekty te i technologie oferują zatem znaczący wkład w projektowanie budynków o wysokiej efektywności energetycznej, szczególnie w zakresie obniżania kosztów energii i obniżania emisji dwutlenku węgla. Centralne systemy dystrybucji pary wodnej i niskotemperaturowego ogrzewania wody w nowoczesnych aplikacjach podlegają decentralizacji, wykorzystując ten potencjał. Wszystko wskazuje na to, że w najbliższej przyszłości powstaną jeszcze czystsze źródła energii, ale tymczasem systemy LTHW zaczynają przynosić pozytywne skutki.
Autor: George Marshall, inżynier, EYP Architecture & Engineering, Albany, Nowy Jork
Źródło grafik: EYP Inc.