Come ottimizziamo i sistemi HVAC per rispondere all'uso della vita reale, risparmiare energia e fornire un ambiente sano e confortevole per gli occupanti dell'edificio?
Energia all'interno degli edifici
Il risparmio energetico è uno dei temi più importanti per molte aziende del settore edile.Dato che l'HVAC rappresenta una parte considerevole del consumo energetico dell'edificio nel corso della sua vita, la tecnologia specificata e utilizzata negli edifici dovrebbe essere in prima linea su come risparmiare energia.I prodotti per la ventilazione, il riscaldamento e il raffrescamento stanno progressivamente diventando più efficienti, guidati dalla legislazione e dallo sviluppo di nuove tecnologie nei componenti.Tuttavia, mentre ci si sposta verso una nuova tecnologia efficiente, è necessario garantire che la tecnologia esistente venga utilizzata nel modo più intelligente ed efficiente.
Tipicamente i sistemi HVAC sono progettati per un uso peggiore dell'edificio.I sistemi di raffreddamento sono progettati per le massime temperature estive e la luce solare intensa, i sistemi di riscaldamento sono progettati per i giorni più freddi dell'anno e i sistemi di ventilazione sono basati sui livelli massimi di occupazione.Questo è ottimo per progettare edifici resilienti, pronti per tutte le condizioni.Ma è così che vengono usati?
I sistemi progettati per i carichi di punta verranno utilizzati molto raramente a questi livelli di progettazione, se non mai.Per la maggior parte della loro vita funzioneranno a una frazione del carico di progetto.Questa disparità tra i carichi di progetto di picco e i carichi operativi reali è molto ampia e, come vedremo, sta solo diventando maggiore.
Il gap prestazionale presente e futuro
Due fattori faranno sì che la differenza tra la progettazione dei picchi e i punti operativi diventi ancora più estrema.
Gli edifici sono oggi utilizzati in modo più flessibile, in particolare uffici e applicazioni commerciali, poiché alle imprese e ai dipendenti vengono offerte possibilità di lavoro flessibile.Un sistema di ventilazione e raffreddamento di un edificio per uffici progettato per la piena occupazione nell'anno 2020, vedrà raramente la stessa occupazione nel 2023 e oltre.
Il riscaldamento globale sta già avendo un impatto sulle condizioni meteorologiche estreme e, anche con modifiche sostanziali ai fattori che contribuiscono, sono previsti eventi meteorologici più estremi in futuro.È probabile che l'Europa debba affrontare estati più calde e secche.Questo, in combinazione con l'effetto Isola di Calore Urbana, che combina la temperatura estiva con condizioni di calore elevato nelle aree in cui si trovano molti uffici ed edifici commerciali, nonché la considerazione su come progettare la mitigazione del calore a livello di città e strada, probabilmente significherà che i carichi di punta per i quali sono progettati i sistemi edilizi sono ancora più lontani dal funzionamento quotidiano degli edifici.
I progettisti di edifici devono integrare il nuovo modo di utilizzare gli edifici nonché i futuri rischi di condizioni meteorologiche estreme nell'attuale progettazione degli edifici, sia in fase di sviluppo che di ristrutturazione.
Trovare le efficienze nel divario prestazionale
Quando un sistema HVAC funziona a carico parziale, di solito funziona in modo più efficiente.Le unità di trattamento dell'aria (UTA) funzionanti a metà velocità del ventilatore utilizzeranno meno di un quarto della potenza in ingresso.Un refrigeratore o una pompa di calore funzionante a carico parziale sfrutta al massimo il suo scambiatore di calore per consentirgli di funzionare a rendimenti più elevati.Tuttavia, è questo ciò che è disponibile con la tecnologia che abbiamo a disposizione?
Se siamo in grado di controllare le nostre UTA per fornire solo la quantità di aria di cui abbiamo bisogno per gli occupanti all'interno dell'edificio, utilizzando la ventilazione controllata su richiesta (DCV), le batterie di raffreddamento e riscaldamento dimensionate per la piena capacità possono controllare la temperatura dell'aria esterna consumando molta meno energia.
Anche le batterie all'interno dei ventilconvettori o delle travi fredde che servono gli spazi interni non devono funzionare a pieno carico poiché queste unità sono generalmente selezionate per la piena occupazione e nelle condizioni estive o invernali di punta.
Dobbiamo quindi prendere una decisione riguardo a queste bobine che non richiedono la piena capacità.Il percorso tradizionale sarebbe quello di ridurre il flusso del liquido di raffreddamento o riscaldamento utilizzando una valvola.Questo è un modo semplice per controllare localmente ed è standard con quasi tutti i sistemi.Ma se abbiamo un po' più di intelligenza nel collegamento tra il chiller/pompa di calore e la batteria possiamo anche ottimizzare la temperatura del liquido che serve la batteria.Una serpentina di raffreddamento progettata per utilizzare acqua a 6 gradi Celsius, al 100% della capacità, non ha bisogno di quella temperatura al 50% della capacità.
Il motivo per modificare la temperatura dell'acqua alle batterie è aumentare l'efficienza del refrigeratore/pompa di calore.Aumentare di un grado la temperatura dell'acqua che scorre da un refrigeratore lo rende più efficiente di circa il 3%.Il funzionamento di una pompa di calore di un grado in meno, aumenta la sua efficienza di quantità simili.
Quindi, quando analizziamo la richiesta delle batterie che controllano il comfort negli ambienti, sia nell'UTA che nello spazio, possono funzionare a una temperatura dell'acqua ottimizzata per la maggior parte del tempo.Infatti, recenti calcoli di UTA collegate a pompe di calore mostrano che le temperature dell'acqua possono essere ottimizzate per oltre il 95% del tempo di funzionamento, risparmiando oltre il 20% di energia frigorifera e oltre il 30% di energia termica.Questo semplicemente controllando il sistema in modo più intelligente.
Questo tipo di controllo della capacità offre comunque un ottimo comfort ambientale oltre a vantaggi energetici, riducendo gli sbalzi di temperatura e le correnti d'aria nella stanza, se adeguatamente controllato.
Passivo e free-cooling
Se nel refrigeratore è disponibile il free-cooling, l'ottimizzazione delle temperature dell'acqua ha un effetto ancora maggiore sull'efficienza.Il free-cooling è il punto in cui il circuito dell'acqua di raffreddamento viene raffreddato direttamente dall'aria esterna anziché utilizzare il circuito di raffreddamento DX del refrigeratore.In genere è disponibile un certo free-cooling quando la temperatura dell'aria ambiente è di un grado Celsius al di sotto della temperatura dell'acqua di ritorno.La quantità di free-cooling aumenta quanto maggiore è la differenza tra la temperatura ambiente e quella dell'acqua, fino a quando il refrigeratore può fornire tutto il raffreddamento necessario utilizzando la sua funzione di free-cooling.Ogni grado in cui aumentiamo la temperatura dell'acqua di raffreddamento, il numero di ore che possiamo ottenere in free-cooling aumenta considerevolmente, risparmiando enormi quantità di energia.
Possiamo anche utilizzare il raffreddamento naturale disponibile da terra quando si utilizza una pompa di calore/refrigeratore geotermica.I sistemi geotermici raccolgono calore di bassa qualità nella terra utilizzando un circuito di fluido convogliato e lo moltiplicano utilizzando una pompa di calore per produrre un riscaldamento efficace ed efficiente per i nostri spazi.Molte pompe di calore possono funzionare anche in modalità di raffreddamento, fornendo un raffreddamento efficiente respingendo il calore nel terreno attraverso il circuito del fluido di falda.Questo tipo di sistema è perfetto per il raffrescamento passivo in una situazione di carico parziale, bypassare la pompa di calore e raffreddare il sistema direttamente utilizzando la temperatura più bassa del suolo è un modo estremamente efficiente di raffrescamento.Proprio come con il free-cooling, l'ottimizzazione delle temperature dell'acqua nel funzionamento a carico parziale consente al sistema di rimanere in raffreddamento passivo per il massimo tempo, risparmiando la maggior parte dell'energia.
Controllo e intelligenza
Per ottenere ciò, è necessario disporre di un sistema di controllo in grado di riconoscere il carico richiesto alla/e serpentina/e e utilizzare queste informazioni per ottimizzare di conseguenza le temperature del refrigeratore/pompa di calore.È necessaria l'intelligenza integrata nei refrigeratori, nelle pompe di calore, nelle unità di trattamento dell'aria e nelle unità ambiente.La comprensione dei limiti dei prodotti separati è essenziale insieme ai loro limiti operativi e alla conoscenza di quando non ottimizzarli.Inoltre, un controllo di sistema di livello superiore deve comunicare in modo efficace tra tutte queste parti del sistema.Oltre a questo, il risparmio energetico si ottiene utilizzando le normali parti dell'impianto, non investendo in apparecchiature più efficienti in particolare, ma controllando ciò che abbiamo in modo più intelligente.
Indipendentemente dal fatto che i sistemi con cui lavoriamo siano sistemi installati esistenti in un progetto di ristrutturazione o un nuovo sviluppo utilizzando nuovi prodotti efficienti all'avanguardia, i principi di ulteriore risparmio energetico nel funzionamento a carico parziale si applicano ancora come un modo efficace e sostenibile per ridurre i costi operativi.
Tempo di pubblicazione: 26 aprile 2023