המרכיבים של מערכת HVAC יעילה
המערכות של היום נועדו לעמוד בדרישות איכות הסביבה, איכות האוויר הפנימי ומשתמשים מחמירים יותר. רבים מהרווחים ביעילות מערכת HVAC הגיעו כתוצאה משיפורים ביעילות התפעול של רכיבי מערכת מרכזיים. רווחים נוספים הם תוצאה של שימוש בטכנולוגיות שהן חדשות או חדשות בתחום HVAC. אפילו השימוש בכלי תכנון בעזרת מחשב סייע למהנדסי מערכות לתכנן מערכות HVAC שמתפקדות בצורה יעילה יותר.
למרות שישנן התקדמות אינדיבידואלית רבות שעזרו לשפר את יעילות תפעול מערכת HVAC, חלק ניכר מהשיפור הכולל ניתן לייחס לחמישה גורמים מרכזיים:
– פיתוח צ'ילרים נמוכים של קילוואט/טון;
– השימוש במערכות בקרת דוודים בעלות יעילות גבוהה;
– היישום של מערכות בקרה דיגיטלית ישירה (DDC);
– השימוש במנועים חסכוניים באנרגיה; ו,
– ההתאמה של כוננים בתדר משתנה למנועי משאבה, מאווררים ומצ'ילרים.
במשך שנים, בעלי בניינים היו מרוצים מהביצועים והיעילות של צ'ילרים שפעלו בטווח של 0.8 עד 0.9 קילוואט/טון כשהם חדשים. ככל שהם מתבגרים, יעילות התפעול בפועל יורדת ליותר מ-1.0 קילוואט/טון בעומס מלא.
כיום, מותקנים צ'ילרים חדשים עם יעילות של 0.50 קילוואט/טון, עלייה של כמעט 50 אחוזים. מרשימות לא פחות הן יעילות העומס החלקי של הדור החדש של הצ'ילרים. למרות שיעילות התפעול של כמעט כל הצ'ילרים הישנים יורדת במהירות עם ירידה בעומס, יעילות התפעול של הצ'ילרים החדשים אינה יורדת כמעט באותה מהירות.
שינויים בעיצוב צ'ילר
מספר שינויי עיצוב ותפעול סייעו לשפר את ביצועי הצ'ילר. כדי לשפר את מאפייני העברת החום של הצ'ילרים, היצרנים הגדילו את גודל מחליפי החום של היחידות. מערכות בקרה אלקטרו-מכאניות הוחלפו בבקרות אלקטרוניות מבוססות מיקרו-מעבד המספקות דיוק, אמינות וגמישות יותר. כונני תדר משתנה שולטים במהירות המדחס, וכתוצאה מכך לעלייה בביצועי עומס חלקי.
יעילות אנרגטית מוגברת היא לא היתרון היחיד של הדור החדש של צ'ילרים לבניין; הצ'ילרים הללו מציעים בלימה טובה יותר של נוזל קירור. למרות שצ'ילרים ישנים יותר בדרך כלל איבדו 10 אחוזים עד 15 אחוזים מטעינת הקירור בשנה, צ'ילרים חדשים יכולים להגביל את ההפסדים לפחות מ-0.5 אחוזים. שיעורי דליפה נמוכים יותר ומערכות טיהור טובות יותר מפחיתים את כמות הגזים הבלתי מתעבים הנמצאים במערכת הקירור – גורם מפתח בשמירה על ביצועי הצ'ילר לאורך זמן.
התפתחות משמעותית נוספת היא בהפעלת הדוד: החלפת בקרות פניאומטיות וידניות במערכות מבוססות מיקרו-מעבד. ככלל אצבע, ניתן לצפות מהמערכות להשיג חיסכון באנרגיה של 5 אחוז עד 7 אחוזים בהשוואה למערכות מבוססות פנאומטיות קונבנציונליות.
מערכות בקרה מבוססות מיקרו-מעבד משיגות את החיסכון שלהן בעיקר כתוצאה מיכולתן לווסת את פעולת הדוד בצורה מדויקת יותר מאשר מערכות מבוססות פניאומטיות. על ידי אפנון מדויק של פעולת הדוד, המערכות מסייעות לשמור על יחס דלק לאוויר תקין ולעקוב אחר העומס המופעל על הדוד על ידי מערכת HVAC.
מערכות מבוססות מיקרו-מעבד מציעות מספר יתרונות נוספים, לרבות יכולות ניטור ותפעול מרחוק, רצפי בקרה אוטומטיים, ניטור זרימת קיטור ועלויות תחזוקה מופחתות. אחת הדרכים שבהן המערכות יכולות לסייע בהפחתת עלויות התחזוקה היא באמצעות יכולתן לשמור על יחס דלק-אוויר תקין. על ידי שמירה על היחס המתאים, המערכות מפחיתות את קצב הצטברות הפיח על צינורות הדוד, ובכך מפחיתות את תדירות הפירוק והניקוי הנדרשים. שמירה על צינורות הדוד נקיים מפיח עוזרת גם לשפר את היעילות התרמית של הדוד.
בקרה דיגיטלית ישירה
שינוי גדול בתחום HVAC הוא היישום הנרחב של בקרות דיגיטליות ישירות (DDC). מערכות DDC, שהוצגו לפני יותר מ-15 שנים, הפכו לסטנדרט בתעשייה לתכנון מערכות בקרה כיום. עם היכולת לספק שליטה מדויקת ומדויקת על הטמפרטורה ועל זרימות האוויר והמים, המערכות החליפו רבות את מערכות הבקרה הפנאומטיות והחשמליות.
מערכות DDC עוזרות לבעלי בניינים לחסוך באנרגיה בכמה דרכים. הדיוק והדיוק שלהם כמעט מבטלים את בעיות הבקרה של קיזוז, חריגה וצייד הנפוצים במערכות פנאומטיות, וכתוצאה מכך וויסות טוב יותר של המערכת. היכולת שלהם להגיב למגוון כמעט בלתי מוגבל של חיישנים מביאה לפעילויות בקרה מתואמות יותר. זה גם מאפשר למערכות לבצע אסטרטגיות בקרה מורכבות יותר ממה שניתן לבצע עם בקרות פנאומטיות. לבסוף, הכיול הפשוט או האוטומטי שלהם מבטיח שמערכות הבקרה יפעלו כמתוכנן לאורך זמן, עם אובדן דיוק מועט או ללא אובדן.
מערכות DDC מציעות גם מספר יתרונות נוספים. מכיוון שאסטרטגיות הבקרה מבוססות תוכנה, ניתן לשנות את המערכות בקלות כדי להתאים לשינויים בדרישות הנוסעים ללא שינויי חומרה יקרים. מערכות DDC הן גם אידיאליות עבור יישומים הנהנים מניטור ותפעול מרחוק.
מנועים חסכוניים באנרגיה
מערכות HVAC של היום עושות שימוש במנועים חסכוניים באנרגיה. מנועים חסכוניים באנרגיה מציעים עלייה מתונה אך משמעותית ביעילות ההפעלה בעומס מלא לעומת תכנוני מנועים סטנדרטיים. לדוגמה, מנוע חסכוני באנרגיה של 10 כ"ס פועל ביעילות של כ-93 אחוזים; מנוע סטנדרטי באותו גודל מדורג בדרך כלל ב-88 אחוזים. באופן דומה, מנוע חסכוני באנרגיה של 50 כ"ס מדורג ביעילות של כ-94 אחוזים בניגוד לדירוג היעילות של 90 אחוז של מנוע סטנדרטי של 50 כ"ס.
עלייה זו ביעילות התפעולית מלווה בתוספת עלות ראשונה עבור המנועים. מהירות החזרת העלות הראשונה הנוספת הזו תלויה בשני גורמים: העמסת המנוע ומספר השעות שהמנוע מופעל בשנה.
ככל שהמנוע מופעל קרוב יותר לדירוג העומס המלא שלו וככל שמספר השעות בשנה שהמנוע מופעל גדול יותר, כך מתאושש הפרש העלות הראשונה מהר יותר. עבור רוב היישומים שבהם המנוע פועל ברציפות בעומס מלא או קרוב לו, תקופת ההחזר עבור העלות הראשונה הנוספת היא בדרך כלל בין שלושה לשישה חודשים.
השילוב של העמסה מתמדת ושעות פעולה ארוכות הפכו את יישומי HVAC למתאימים היטב לשימוש במנועים חסכוניים באנרגיה. מנועים חסכוניים באנרגיה נמצאים בדרך כלל מניעים משאבות סירקולציה צנטריפוגליות ומאווררי מערכת. עם עומסים אלו, העלייה של 4 אחוזים או 5 אחוזים ביעילות החשמלית של מנוע ההנעה מתורגמת לחיסכון משמעותי באנרגיה, במיוחד כאשר המערכות פועלות 24 שעות ביממה, כל השנה.
יתרון לוואי של עיצוב מנוע חסכוני באנרגיה הוא מקדם ההספק הגבוה שלו. הגדלת מקדם ההספק של מנוע הנעה מפחיתה את צריכת הזרם במערכת החשמל, משחררת קיבולת הפצה נוספת ומפחיתה את הפסדי הפצה במערכת. למרות שהגדלת מקדם ההספק אינה תועלת מספקת כדי להצדיק את הפרש העלויות של המנוע בעל היעילות הגבוהה יותר, היא מהווה שיקול חשוב, במיוחד עבור משתמשים גדולים בחשמל שבהם קיבולת המערכת מוגבלת.
למרות שהמנועים הוכיחו את עצמם כחסכוניים מאוד ביישומים חדשים, מעט יותר קשה להצדיק את השימוש בהם ביישומים קיימים. ברוב המקרים, העלות להחלפת מנוע קיים ופועל עם מנוע בעל יעילות גבוהה יותר לא תוחזר במשך חמש עד 10 שנים או יותר.
מבין השיפורים במערכות HVAC שעזרו להגביר את יעילות התפעול, כוננים בתדר משתנה הביאו לתוצאות הדרמטיות ביותר. מיושמים על רכיבי מערכת החל מאווררים ועד צ'ילרים, הכוננים הוכיחו את עצמם כמוצלחים מאוד בהפחתת דרישות האנרגיה של המערכת במהלך פעולת עומס חלקי. ועם רוב המערכות הפועלות בעומס חלקי 90 אחוזים או יותר מהזמן, החיסכון באנרגיה המופק על ידי כוננים בתדרים משתנים משחזר במהירות את השקעתם, בדרך כלל תוך שנה עד שנתיים.
באופן כללי, ככל שהמנוע גדול יותר, כך החיסכון גדול יותר. ככלל אצבע, כמעט כל מנוע של מערכת HVAC 20 כ"ס ומעלה יכול להפיק תועלת מהתקנת כונן בתדר משתנה.
יישומי כונן תדרים משתנים
כוננים בתדר משתנה מייצרים את החיסכון שלהם על ידי שינוי התדר והמתח של אספקת החשמל של המנוע. וריאציה זו משמשת להפחתת מהירות הפעולה של הציוד שהוא שולט בו כדי להתאים לדרישות העומס. במהירות הפעלה מופחתת, צריכת החשמל של מנוע ההנעה יורדת במהירות.
לדוגמה, מאוורר צנטריפוגלי, כאשר הוא מופעל ב-75 אחוז זרימה, שואב רק כ-40 אחוז מהספק בעומס מלא. ב-50 אחוז זרימה, דרישת ההספק של המאוורר יורדת לפחות מ-15 אחוז מהספק בעומס מלא. בעוד שמערכות בקרה קונבנציונליות, כמו בקרת בולמים או שבשבת, גם מפחיתות את דרישות האנרגיה בזרימה חלקית, החיסכון קטן משמעותית.
תחום נוסף שבו כוננים בתדר משתנה שיפרו את יעילות הפעולה של מערכת HVAC הוא עם משאבות צנטריפוגליות שנמצאות במערכות זרימת מים חמים וצוננים. בדרך כלל, משאבות אלו מספקות זרימה קבועה של מים ליחידות הקצה. ככל שהביקוש למי חימום או קירור פוחת, שסתומי הבקרה ביחידות המסוף מתכווצים לאחור. כדי לשמור על הלחץ במערכת קבוע, נפתח שסתום מעקף בין מערכות האספקה והחזרה. כאשר קצב הזרימה נשאר כמעט קבוע, גם העומס על הכונן החשמלי של המשאבה נשאר כמעט קבוע.
כונני תדר משתנה מווסתים את הלחץ במערכת בתגובה לדרישות משתנות על ידי האטת המשאבה. בדומה למאווררים צנטריפוגליים, ההספק הנדרש על ידי המשאבות יורד ככל שהעומס והמהירות יורדים. שוב, מכיוון שרוב המערכות פועלות הרבה מתחת לקיבולת התכנון ב-90 אחוז מהזמן, החיסכון שנוצר כתוצאה מהפעלה במהירות מופחתת הוא משמעותי, ובדרך כלל משחזר את עלות היחידה תוך שנה עד שנתיים.
עומסי צ'ילר
יישום שלישי עבור כוננים בתדר משתנה הוא צ'ילרים צנטריפוגליים. צ'ילרים מותאמים לעומסי קירור שיא, אם כי עומסים אלו מתרחשים רק כמה שעות בשנה.
עם מערכות בקרה קונבנציונליות שסוגרות שבבים על כניסת הצ'ילר, יעילות הצ'ילר יורדת באופן משמעותי במהלך פעולת עומס חלקי. כאשר מפעילים כוננים בתדר משתנה על הצ'ילרים הללו, הם מווסתים את פעולת הצ'ילר על ידי הפחתת מהירות המדחס. התוצאה היא יעילות תפעול כמעט מלאה על פני מגוון רחב מאוד של עומסי קירור. עלייה זו ביעילות העומס החלקי מתורגמת לעלייה של 15% עד 20% ביעילות העונתית של הצ'ילר.
חיסכון באנרגיה אינו היתרון היחיד של כוננים בתדר משתנה. עומס מופעל על מנוע חשמלי ועל המערכת המכנית שהוא מפעיל בכל פעם שמשאבה, מאוורר או צ'ילר מופעלים במתח קו מלא: פיתול המנוע מתחמם, רצועות מחליקות, שרשראות הנעה נמתחות ולחץ גבוה מפותח במערכות סירקולציה . כוננים בתדר משתנה מפחיתים את הלחצים הללו על ידי הפעלת מערכות במתחים ותדרים מופחתים בהתחלה רכה, וכתוצאה מכך אורך חיי המנוע והציוד מוגדל.
לבסוף, המרכיב החשוב ביותר במערכת HVAC חסכונית באנרגיה הוא אופן הפעלת המערכת. לא משנה עד כמה המערכת מתוחכמת, או כמה נרחבת התכונות החיסכון באנרגיה שלה, ביצועי המערכת תלויים באופן שבו היא מופעלת ומתוחזקת. צוות ההפעלה חייב להיות מאומן כראוי כיצד להשתמש בצורה הטובה ביותר במערכת ובתכונותיה. צוות התחזוקה חייב להיות מאומן ומצויד בכלים המתאימים כדי לשמור על פעולת המערכת כפי שתוכננה. לא ניתן לדחות את התחזוקה.
מערכות HVAC חסכוניות באנרגיה מציעות למנהל המתקן את היכולת לשפר את ביצועי המערכת תוך הפחתת דרישות האנרגיה. אבל הם מיטיבים עם בעלי בניינים רק כל עוד מטפלים בהם. אם מנהלי מתקנים יבחרו להתעלם מדרישות התחזוקה, הם עלולים למצוא בקרוב מערכות תקלות עד לנקודה שבה הם למעשה הגדילו את הדרישה לאנרגיה.
