Obowiązująca od 1 stycznia 2006 roku Dyrektywa Europejska dotycząca certyfikacji energetycznej budynków [1] nakłada na wszystkich uczestników procesu inwestycyjno – eksploatacyjnego budynku pewne nowe obowiązki. Czy wobec tego projektowanie takich systemów stanie się w tym momencie trudniejsze? Jedno jest pewne, proces projektowania będzie wymagał zaangażowania większej wiedzy oraz nowych narzędzi wspomagających pracę projektanta. Stworzenie takowych wymaga dużego zaangażowania nie tylko środowisk naukowych ale również odpowiednich jednostek rządowych, które muszą wykazać większe zainteresowanie rozwojem prac badawczych prowadzących do opracowania i zweryfikowania modeli i algorytmów pozwalających na dokonywanie szybkich i wiarygodnych analiz „energochłonności” projektowanego rozwiązania instalacji grzewczo-klimatyzacyjnej budynku. To zadanie uzupełnione o przygotowanie przemyślanych ustaw i rozporządzeń związanych z wprowadzeniem w/w Dyrektywy wydaje się być jedyną drogą do świadomego projektowania powyższych instalacji o coraz wyższym standardzie przy coraz to mniejszym zapotrzebowaniu energii, co w sposób jednoznaczny przyczyni się do ochrony środowiska naturalnego.  

Zasady poszanowania energii w projektowaniu instalacji klimatyzacyjno-wentylacyjnych
     O ile metody obliczeniowe dotyczące zapotrzebowania energii przez budynek na cele grzewcze i CWU są obecnie dobrze rozwinięte i szeroko rozpropagowane, o tyle w zakresie projektowania systemów wentylacji i klimatyzacji zagadnienia te nie podlegały do tej pory prawie żadnej weryfikacji. W konsekwencji doprowadziło to powstania w ostatnich latach wielu systemów klimatyzacji o bardzo wysokich kosztach eksploatacyjnych i często niepoprawnie funkcjonujących.
     W okresie letnim, zapotrzebowanie na energię przez system klimatyzacyjny jest zjawiskiem niezwykle dynamicznym i zależy nie tylko od szybko zmieniających się warunków otoczenia czy zmiennych wymagań użytkowników ale również, w sposób znaczący wpływa na to sposób projektowania, zastosowany system klimatyzacji, jakość jego poszczególnych elementów składowych, a w szczególności system regulacji i sterowania. Stąd zdarza się stosunkowo często, że podobne architektonicznie i funkcjonalnie budynki, wyposażone w systemy klimatyzacji charakteryzują się wskaźnikami zapotrzebowania energii w okresie lata różniącymi się nawet o kilkadziesiąt procent.
     Analiza dostępnej literatury, w tym również opracowywanych w CEN norm pozwala odnieść wrażenie, że większość wysiłków koncentruje się na opracowaniu szczegółowego bilansu zysków i strat ciepła jawnego, z jakimi mamy do czynienia w budynku pomijając jakość i parametry procesów uzdatniania powietrza w systemie klimatyzacji.
     W związku z powyższym autorzy podjęli próbę oceny wpływu na „zużycie”1 nośników energii przez system klimatyzacyjny w okresie letnim, takich zagadnień jak:
● zróżnicowanie parametrów obliczeniowych powietrza wewnętrznego związane z deklarowaną kategorią komfortu,
● rodzaj i zakres danych klimatycznych (dla określonej strefy),
● zastosowany w projekcie system klimatyzacji i sposób uzdatniania powietrza,
● „charakterystyki energetyczne” poszczególnych składników systemu klimatyzacji takich jak agregaty ziębnicze, wentylatory, pompy itp.,
● sposób regulacji parametrów pracy tych urządzeń w dynamicznie zmieniających się warunkach „stanów przejściowych”.
     Dla osiągnięcia powyższego celu opracowano model a następnie procedurę obliczeniową, która posiada następujące cechy charakterystyczne:
● obliczenia prowadzone są w „cyklu godzinowym”, co w przypadku tych procesów wydaje się być warunkiem zarówno koniecznym jak i wystarczającym,
● do obliczeń zysków ciepła zastosowano uproszczoną procedurę opisaną w literaturze [2,3],
● model pozwala na wykorzystanie zarówno pełnych danych klimatycznych (z uwzględnieniem promieniowania) zarejestrowanych w systemie godzinowym jak i uśrednionych zawartych w normie [6],
● model uwzględnia sposób realizacji procesów uzdatniania powietrza wraz z „ich graficznym obrazem” na wykresie „h-x” Moliera,
● w obliczeniach uwzględniono zależność wskaźnika efektywności energetycznej agregatu ziębniczego EER od chwilowych wartości temperatury cieczy oziębianej oraz temperatury powietrza zewnętrznego.

     W niniejszym artykule zaprezentowane zostały wybrane wyniki obliczeń dla przykładu obiektu biurowego typu „open space” zlokalizowanego w Krakowie w którym zastosowano system klimatyzacji zcentralizowanej ze stałym strumieniem powietrza nawiewanego.

Definicja i określenie strumieni powietrza nawiewanego i wentylacyjnego
     Analizując to zagadnienie od strony czysto formalnej, w instalacji wentylacyjno klimatyzacyjnej można wyróżnić aż 14 różnych rodzajów strumieni powietrza [8]. Jednak w zdecydowanej większości przypadków projektowanych instalacji podstawowym i wystarczającym warunkiem jest optymalizacja wielkości dwóch zasadniczych strumieni powietrza:
● strumienia powietrza nawiewanego do pomieszczenia (oznaczanego dalej jako V_N), którego zadaniem jest „przejęcie” zysków ciepła jawnego oraz zysków wilgoci występujących w danym momencie w pomieszczeniu, oraz
● strumienia powietrza wentylującego pomieszczenie – V_Ś (często nazywanego „świeżym”, a w niektórych instalacjach „powietrzem pierwotnym”), którego dostarczenie ma na celu usunięcie zanieczyszczeń z powietrza w pomieszczeniu oraz uzupełnienie tlenu niezbędnego do oddychania dla użytkowników tego pomieszczenia.
(...)

Temperatura i wilgotność powietrza wewnętrznego – kategoria komfortu
     Prawidłowe zdefiniowanie parametrów powietrza w pomieszczeniu związane z kategorią komfortu termicznego stanowi niewątpliwie kolejny główny cel procesu projektowania systemu klimatyzacji. Decyzja ta, jak wykazano w niniejszej pracy, ma istotny wpływ nie tylko na samopoczucie przyszłych użytkowników ale również na zapotrzebowanie mocy chłodniczej a w konsekwencji na „zużycie” nośników energii w okresie pracy urządzeń klimatyzacyjnych. Dla celów weryfikacji powyższej tezy został przeanalizowany prosty przykład w którym, dla systemu klimatyzacji ze stałym strumieniem powietrza nawiewanego, z regulacją temperatury i wilgotności określono zapotrzebowanie mocy chłodniczej oraz parametry pracy agregatu ziębniczego dla czterech „zestawów wartości parametrów powietrza wewnętrznego”:
A) Tp = 26 [^oC], φp = 50%
B) Tp = 23 [^oC], φp = 50%
C) Tp = 25 [^oC], φp = 60%
D) Tp = 25 [^oC], φp = 50%

     Porównanie procesów uzdatniania powietrza na wykresie „h-x” dla wszystkich czterech przypadków, przy założonych tych samych warunkach obliczeniowych przedstawiono na rysunku nr 2.
(...)

Agregat ziębniczy – jego rodzaj i efektywność
     Agregat ziębniczy, często nazywany „sercem systemu klimatyzacji”, jest urządzeniem niewątpliwie bardziej skomplikowanym niż kocioł grzewczy. Dodatkowo jego efektywność energetyczna EER (definiowana jako stosunek mocy chłodniczej Q_o do mocy elektrycznej Pa pobieranej w określonych warunkach pracy przez sprężarkę) zależy bardzo mocno od wielu parametrów, które należy precyzyjnie określić na etapie projektowania. W szczególności są to:
● konstrukcja urządzenia,
● zastosowany czynnik ziębniczy,
● temperatura odparowania (ściśle związana między innymi z temperaturą wylotową płynu oziębianego oraz wielkością parowacza w który wyposażony jest agregat),
● temperatura skraplania (zależna między innymi od sposobu chłodzenia skraplacza, temperatury płynu chłodzącego oraz wielkości skraplacza agregatu).

     Jak wynika z wykresów przedstawionych na rysunkach 3 i 4, na których zaprezentowano rzeczywiste charakterystyki efektywności energetycznej dla typowych konstrukcji agregatów ziębniczych jednego z producentów, zależności wskaźnika EER zarówno od temperatury odparowania jak i od temperatury skraplania są bardzo silne. W związku z powyższym opracowany przez autorów model obliczeniowy zapotrzebowania energii przez system klimatyzacji musiał uwzględniać, między innymi takie założenia jak:
● dostosowanie temperatury wylotowej cieczy oziębianej w agregacie do wymagań uzdatniania powietrza w chłodnicy (uzależnionych od przyjmowanych parametrów zarówno powietrza w pomieszczeniu jak i powietrza nawiewanego),
● obliczenia „godzinowego” zapotrzebowania mocy elektrycznej przez agregat uwzględniają zależność wskaźnika efektywności agregatu EER od temperatury wody oziębianej na wylocie z agregatu oraz od aktualnej temperatury powietrza zewnętrznego.
(...)

Obliczenia sezonowego zapotrzebowania energii przez system klimatyzacji
(...)

Wnioski końcowe
     Analizując wyniki obliczeń modelowych zaprezentowanych powyżej można sformułować szereg wniosków, których znaczenie wydaje się być zasadnicze dla projektowania systemów klimatyzacji w odniesieniu do problemu „zużycia” nośników energii w czym ma pomóc wprowadzenie w życie dyrektywy EPBD [1]. Do wniosków szczegółowych można zaliczyć:
● Dla zcentralizowanego systemu uzdatniania powietrza ze stałym strumieniem powietrza nawiewanego (CAV) zapotrzebowanie energii elektrycznej przez wentylatory oraz przez agregaty ziębnicze jest dominujące w bilansie energii całego systemu. W związku z powyższym, każdorazowo na etapie projektowania systemu należy przeprowadzić szczegółową analizę zarówno wartości strumienia powietrza nawiewanego jak i typu oraz charakterystyki agregatu ziębniczego („źródła zimna”);
● Wybór rodzaju konstrukcji agregatu, jego efektywności oraz właściwie sformułowanych parametrów jego pracy ma zasadniczy wpływ na sezonowe zapotrzebowanie energii przez system klimatyzacji;
● Decyzja o przyjęciu obliczeniowych parametrów powietrza w pomieszczeniu klimatyzowanym powinna być poprzedzona szczegółową analizą (we wstępnym etapie projektu) gdyż ma ona istotny wpływ na „zużycie” nośników energii i koszty systemu klimatyzacji.

     Analizując powyższe zjawiska w szerszym aspekcie warunków projektowania systemów klimatyzacji w budynkach użyteczności publicznej autorzy proponują następujące wnioski ogólne:
● Istnieje pilna potrzeba opracowania modelu obliczeniowego do obliczania zużycia energii przez najczęściej występujące systemy klimatyzacyjne dla polskich warunków klimatycznych;
● Odpowiednie placówki naukowe, przy poparciu rządu powinny bezwzględnie jak najszybciej opracować zaktualizowane dane klimatyczne dla obszaru Polski zgodne z normą EN-ISO-15927-4;
● Ustawa wdrażająca „Dyrektywę Energetyczną” musi być wyposażona w rozporządzenia umożliwiające dokonanie oceny „zużycia” nośników energii przez system klimatyzacji w odniesieniu do kategorii komfortu pomieszczeń.

wydanie 10/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE