του J. Martin, Μηχανικού Πωλήσεων HVAC
Η εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια, έχει γίνει σήμερα τόσο ζωτικής σημασίας ώστε να περιλαμβάνεται στους νέους οικοδομικούς κανονισμούς της Ευρώπης, που επιβάλλουν βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων που δεν χρησιμοποιούνται ως κατοικίες μεταξύ 23% και 28%. Η βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης σε τόσο υψηλά ποσοστά είναι δυνατό να επιτευχθεί στις περισσότερες περιπτώσεις, επειδή τα συστήματα κλιματισμού των σύγχρονων κτιρίων προσφέρουν μεγάλες δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες διαφέρουν από την ημέρα στη νύκτα, από ημέρα σε ημέρα και από εποχή σε εποχή σε εξαιρετικά μεγάλο εύρος και τα συστήματα κλιματισμού θα πρέπει να ανταποκριθούν σε αυτή την πρόκληση. Δυστυχώς, όταν σχεδιάστηκε και εγκαταστάθηκε η πλειοψηφία των κτιριακών συστημάτων κλιματισμού, η ενεργειακή απόδοση δεν αποτελούσε προτεραιότητα και τα συστήματα σχεδιάστηκαν ώστε να ανταποκρίνονται στο μικρότερο δυνατό κόστος. Παρά την ανάγκη για στενό περιβαλλοντικό έλεγχο των κτιρίων σε ευρεία γκάμα εξωτερικών συνθηκών, οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν ήταν άτεχνοι και υπεραπλουστευμένοι. Για παράδειγμα, στα συστήματα μεταβλητού όγκου αέρα (VAV), ο ρυθμιστής και ο έλεγχος της βάνας των ανεμιστήρων κλιματισμού, ο στραγγαλισμός των αντλιών ψύξης και ο έλεγχος on-off πολλών λειτουργιών ήταν οι βασικοί κανόνες προκειμένου να ανταποκριθεί το σύστημα στις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις του κτιρίου.
Τα συστήματα που τοποθετούνται στα σύγχρονα κτίρια σήμερα είναι τελείως διαφορετικά. Η επανάσταση στα αποδοτικά συστήματα κλιματισμού οφείλεται στην ανάπτυξη της πιο απίθανης και σύνθετης συσκευής του μικροεπεξεργαστή. Αυτοί οι μικροσκοπικοί υπολογιστές αποτέλεσαν τον προπομπό, προς μια εποχή ανώτερων Συστημάτων Διαχείρισης Κτιρίων (BMS) που συνδέονται μέσω δικτύων fieldbus όπως το BACNet, ενός σύνθετου δικτύου αισθητήρων και συστημάτων κίνησης μεταβλητής ταχύτητας που ελέγχουν τους κινητήρες που με τη σειρά τους κινούν τους πολυάριθμους ανεμιστήρες και τις αντλίες που αποτελούν σύγχρονο, αποτελεσματικό σύστημα ελέγχου του κλίματος. Το αποτέλεσμα είναι ένα πολύ πιο σταθερό, άνετο εργασιακό περιβάλλον, σε όλη τη διάρκεια του έτους και ακόμα και τις πιο θερμές ημέρες.
Μεγαλύτερη συνεισφορά
Αν και τα σύγχρονα BMS συνέβαλαν σημαντικά στον συνολικό έλεγχο του συστήματος και τα δίκτυα fieldbus απλούστευσαν τη σύνδεση σε όλο το κτίριο, η μεγαλύτερη συμβολή στην ενεργειακή απόδοση προήλθε από τον έλεγχο μεταβλητής ταχύτητας του ανεμιστήρα και των κινητήρων των αντλιών.
Εκεί λαμβάνει χώρα η μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας και εκεί υπάρχει η μεγαλύτερη ανάγκη για απόδοση. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές συνθήκες κάτω από τις οποίες πρέπει να λειτουργήσει ένα σύστημα ελέγχου του κλίματος ενός κτιρίου, επιβάλλεται όλοι οι ανεμιστήρες και οι αντλίες να είναι υπερδιαστασιολογημένοι. Στην πραγματικότητα, ακόμα και κάτω από τις πιο ακραίες συνθήκες λειτουργίας, η συντριπτική πλειοψηφία των συστημάτων σχεδιάζονται με κάποιον πολύ γενναιόδωρο "συντελεστή λειτουργίας" και σπάνια λειτουργούν σε ικανότητα πέραν του 75%. Σε κάθε στάδιο της διαδικασίας σχεδιασμού, ενσωματώθηκαν περιθώρια ώστε να διασφαλιστεί ότι δεν υπήρχε περίπτωση μη κάλυψης του φορτίου. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν ευρέως μη αποδοτικές πεταλούδες στραγγαλισμού και κιβώτια διαφραγμάτων για σχεδόν συνεχή λειτουργία, για τον έλεγχο του συστήματος. Το πρόβλημα είναι ότι όλοι οι ανεμιστήρες και οι αντλίες που χρησιμοποιούνται στα κτίρια, είναι φυγόκεντρες συσκευές που λειτουργούν με βάση τους νόμους συνάφειας, που διέπουν την κατανάλωση ισχύος και την παραγωγή θορύβου. Ο πιο κρίσιμος από αυτούς τους νόμους προβλέπει ότι η απορρόφηση ισχύος ενός φυγόκεντρου ανεμιστήρα ή αντλίας είναι άμεση συνάρτηση της ταχύτητας εις τον κύβο. Ο θόρυβος ενός ανεμιστήρα είναι ανάλογος προς την ταχύτητά του υψωμένη εις την πέμπτη.
Αυτό σημαίνει ότι η λειτουργία των ανεμιστήρων και των αντλιών σε πλήρη ταχύτητα, όταν δεν απαιτείται πλήρης παροχή, δηλαδή τον περισσότερο χρόνο λειτουργίας τους, είναι και ενεργειακά μη αποδοτική και εξαιρετικά θορυβώδης. Ο έλεγχος της ταχύτητας αυτών των ανεμιστήρων και των αντλιών προσφέρει, επομένως, μεγαλύτερη απόδοση, καλύτερο έλεγχο και μειωμένα επίπεδα θορύβου.
Ταχύτητα κινητήρα
Ο πιο πρακτικός τρόπος ελέγχου των ανεμιστήρων και των αντλιών είναι η μεταβολή της ταχύτητας του κινητήρα. Αν και ιστορικά υπήρξαν αρκετές εναλλακτικές λύσεις, αυτές ήταν σύνθετες, απαιτούσαν συντήρηση και ήταν ακριβές. Τα τελευταία χρόνια, εντούτοις, τα συστήματα κίνησης με μετατροπέα μεταβλητής συχνότητας (VSD) έχουν γίνει πιο αποδοτικά και ανταγωνιστικά ως προς το κόστος . Το μεγάλο πλεονέκτημά τους είναι ότι προσφέρουν ακριβή έλεγχο της ταχύτητας τυποποιημένων AC επαγωγικών κινητήρων, δηλαδή του πιο αποδοτικού και αξιόπιστου συστήματος κίνησης. Είναι με διαφορά ο συνηθέστερος τύπος κινητήρα που χρησιμοποιείται σε υφιστάμενα συστήματα HVAC και δίνει την δυνατότητα για μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας.
Οι ταχείες εξελίξεις στα VSD τα τελευταία 10 έτη προκάλεσαν επανάσταση στην τεχνολογία για τις εφαρμογές HVAC στον βαθμό, που είναι πια σπάνιο για νέα οικοδομικά έργα να μην έχουν πλήρη VSD έλεγχο του συστήματος HVAC που συνδέεται με το BMS. Για παράδειγμα, αυτό ισχύει στο πιο φαντασμαγορικό κτίριο του Λονδίνου, το Gherkin, όπου VSD από τη Danfoss ελέγχουν ολόκληρη την εγκατάσταση HVAC καθώς και σε πολλά κτίρια σε ολόκληρο τον κόσμο όπως η Όπερα του Σίδνεϋ και αρκετά κτίρια στους Ολυμπιακούς Αγώνες της Αθήνας. Παρομοίως, σε πολλές ανακαινίσεις μεγάλων κτιρίων όπως το CityPoint του Λονδίνου, όπου η Johnson Controls επέλεξε επίσης συστήματα κίνησης της Danfoss για τις λειτουργίες ελέγχου του κινητήρα, υιοθετήθηκε επίσης η ίδια τεχνολογία.
Υπάρχουν αρκετοί λόγοι για αυτό. Όχι μόνο σημειώθηκε σημαντική μείωση στο κόστος ανά kW εγκαταστημένης ισχύος, αλλά οι ίδιοι οι μετατροπείς είναι περισσότερο συμπαγείς και αποδοτικοί από ότι στο παρελθόν. Είναι σήμερα κοινή πρακτική να τοποθετούνται μετατροπείς συχνότητας VSD κοντά στον κινητήρα/αντλία/ανεμιστήρα που ελέγχουν, αντί στο κεντρικό πάνελ ελέγχου. Τα κύρια πλεονεκτήματα είναι ότι μειώνεται το μέγεθος του πίνακα ελέγχου και απαιτείται απλούστερη εγκατάσταση. Εντούτοις, για τη διασφάλιση της μακροχρόνιας αξιοπιστίας του μετατροπέα συχνότητας VSD και την προστασία του προσωπικού στο χώρο της εγκατάστασης, είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι ο μετατροπέας VSD διαθέτει ικανό περίβλημα προστασίας για ασφαλή λειτουργία του στις τις εξωτερικές συνθήκες του χώρου στον οποίο έχει εγκατασταθεί (π.χ. υγρασία, σκόνη, διαβρωτικά αέρια, ακόμη και νερό). Η διαθεσιμότητα των περιβλημάτων προστασίας ΙΡ66, που διευκολύνεται από την μείωση στην παραγωγή εσωτερικής θερμότητας εξασφαλίζει τόσο την ακεραιότητα του πίνακα όσο και την ασφάλεια του προσωπικού.
Επιπλέον, το διαθέσιμο σήμερα λογισμικό κάνει την ενσωμάτωση των συστημάτων VSD στο συνολικό κτιριακό περιβάλλον, παιχνίδι. Οι μετατροπείς είναι σήμερα ευφυές τμήμα ενός ευφυούς κτιρίου. Οι αρχικοί μετατροπείς απλά μετέβαλαν τον λόγο της συχνότητας εξόδου και την τάση, ελέγχοντας έτσι την ταχύτητα του κινητήρα, αλλά χωρίς έλεγχο της ροπής στρέψης ή της απόδοσης. Μια μηχανή επαγωγής, ανεξάρτητα από το πόσο αποδίδει σε πλήρη ταχύτητα και υπό πλήρες φορτίο, παρουσιάζει σημαντική μείωση στην απόδοση και πολύ χαμηλό συντελεστή ισχύος υπό μερικό φορτίο. Τα σύγχρονα συστήματα κίνησης με μετατροπέα όχι μόνο ελέγχουν την ταχύτητα του κινητήρα, αλλά δυνάμει των ισχυρών αλγόριθμων ψηφιακού ελέγχου που διαθέτουν, η Αυτόματη Βελτιστοποίηση της Ενέργειας (AEO) ρυθμίζει τον μετατροπέα σε σχέση με τον κινούμενο κινητήρα, σχηματίζοντας ένα ταιριαστό ζεύγος έτσι ώστε σε όλα τα φορτία και τις ταχύτητες, η συνολική απόδοση να διατηρείται στο βέλτιστο επίπεδο. Είναι τόσο αποτελεσματικό στη βελτίωση της συνολικής απόδοσης του κινητήρα, ώστε φαίνεται να επιβάλλεται η αντικατάσταση των παλαιότερων μετατροπέων με νέες, πιο σύγχρονες μονάδες. Επιπλέον, η παρέμβαση του μετατροπέα μεταξύ του κινητήρα και του κεντρικού δικτύου τροφοδοσίας σημαίνει ότι το ζεύγος παρουσιάζει συντελεστή ισχύος κοντά στη μονάδα, επιτυγχάνοντας δηλαδή, σημαντικό όφελος.
Μικρουπολογιστής
Στην καρδιά του μετατροπέα συχνότητας υπάρχει ένας ισχυρός μικροϋπολογιστής που ελέγχει όχι μόνο την τροφοδοσία στον κινητήρα, αλλά προσφέρει σημαντικές λειτουργίες ελέγχου ανεμιστήρα και αντλίας που παρέχονταν στο παρελθόν ως ξεχωριστά δομοστοιχεία. Η Αντιστάθμιση της Ροής, ως απόκριση σε αισθητήρες πίεσης τοποθετημένους κοντά στον ανεμιστήρα ή στην αντλία, διατηρεί την πίεση σταθερή στην κατάθλιψη του συστήματος, προσφέροντας επιπλέον εξοικονόμηση ενέργειας. Εσωτερικοί πολλαπλοί βρόγχοι PID και Ελεγκτές Smart Logic προσφέρουν προηγμένο έλεγχο του συστήματος που είναι εξωτερικό ως προς το BMS, επεκτείνοντας την ικανότητά του.
Η λειτουργία παράκαμψης πυρκαγιάς εξασφαλίζει τη λειτουργία του μετατροπέα σε συνθήκες καταστροφής εάν απαιτείται και τα χαρακτηριστικά της αποσυμπίεσης Stairwell διασφαλίζουν ότι παραμένουν χωρίς καπνό σε περίπτωση πυρκαγιάς. Εάν ανιχνευτεί μικρή ροή ή απουσία ροής η πίεση του συστήματος μειώνεται.
Η ικανότητα εξοικονόμησης ενέργειας που παρέχουν τα συστήματα VSD είναι ιδιαίτερα εμφανής όπου ανακαινίστηκαν παλαιότερα συστήματα ανεμιστήρων και αντλιών και ενσωματώθηκαν συστήματα κίνησης μεταβλητής ταχύτητας, παρέχοντας έτσι μια απτή σύγκριση της προηγούμενης και της νεότερης κατάστασης. Υπάρχουν πολλά τέτοια συστήματα και σε ορισμένες περιπτώσεις, η εξοικονόμηση είναι αρκετά εντυπωσιακή με ταχεία απόσβεση της αρχικής επένδυσης.
# Το ξενοδοχείο Radisson SAS Hotel στο Αεροδρόμιο του Μάντσεστερ πέτυχε 70% εξοικονόμηση ενέργειας με την εγκατάσταση της σειράς μετατροπέων VLT 6000 στα AHU και στις αντλίες ψύξης και η επένδυση απέδωσε εντός ενός έτους
# Το Διεθνές Αεροδρόμιο του Μπέλφαστ προσάρμοσε VLT μετατροπείς σε 28 από τα AHU και αναμένει να εξοικονομήσει άνω των 1.000.000 ΚWhrs αξίας £60000 ετησίως και θα αποσβέσει το συνολικό κόστος εγκατάστασης σε περίπου οκτώ μήνες
# Η Dairy Crest εγκατέστησε έναν μετατροπέα VLT για τον έλεγχο ενός ανεμιστήρα λέβητα FD εξοικονομώντας 47000 kWhrs ετησίως και πέτυχε απόσβεση της κεφαλαιουχικής δαπάνης σε λιγότερο από εννέα μήνες.
# H Diageo χρησιμοποίησε ένα μετατροπέα VLT σε ζεύγος αντλίας εργασίας/εφεδρείας 132 kW και πέτυχε εξοικονόμηση 37000 kWhrs ετησίως με απόσβεση της επένδυσης σε 18 μήνες με οριακό ενεργειακό κόστος μόλις 2p ανά μονάδα.Αυτή η εξοικονόμηση ενέργειας, αντιπροσωπεύει τεράστια μείωση και σε εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. - τα παραπάνω τέσσερα παραδείγματα, μόνο, αντιπροσωπεύουν άνω των 500 τόνων εκπομπών.
Η συνεισφορά των συστημάτων κίνησης VLT σε εξοικονόμηση ενέργειας σε ετήσια βάση αντιπροσωπεύει την παραγωγή ισχύος ενός μεγάλου σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η εξοικονόμηση διοξειδίου του άνθρακα μπορεί να γίνει αντικείμενο εκμετάλλευσης στην αγορά εκπομπών για περαιτέρω μείωση του χρόνου απόσβεσης της επένδυσης. Μπορεί επίσης να επιτευχθεί περαιτέρω μείωση του κόστους αν ληφθεί υπόψη η έκπτωση του κόστους του μετατροπέα από το φόρο των εταιριών καθώς επισείει Έκπτωση για Αποσβέσεις (ECA), που έχει οριστεί ως κίνητρο από την κυβέρνηση για να αυξηθεί η εφαρμογή των ενεργειακά αποδοτικών τεχνολογιών.Η χρήση συστημάτων ευφυούς ελέγχου ταχύτητας των ανεμιστήρων και αντλιών σε κτίρια είναι κάτι παραπάνω από επωφελής. Η αρχική κεφαλαιουχική δαπάνη αποσβένεται τόσο γρήγορα ώστε δεν υπάρχει πιο αποδοτική χρήση των κεφαλαίων μιας εταιρίας. Η χρήση τους οδηγεί σε απρόσμενα υψηλή απόδοση, επιτυγχάνονται αυξημένα επίπεδα άνεσης και σημαντική μείωση στις εκπομπές ρύπων τη στιγμή που ο αγώνας ενάντια στην θέρμανση του πλανήτη αφορά όλους.
