Srovnávací studie systémů HVAC v nemocnicích: chladicí trámy a fan-coil jednotky
Předložená studie popisuje metodiku pro určení emisí uhlíku ze systémů HVAC za účelem zhodnocení možných alternativních zelenějších systémů. Byla provedena případová studie v nemocniční budově ve Faru v Portugalsku, přičemž jako koncová zařízení byly uvažovány fan-coil jednotky a chladicí trámy.
Analyzované koncové jednotky jsou součástí centralizovaného systému pro větrání vytápění a klimatizaci , systém se skládá ze zdroje chladu, zdroje tepla (plynového kotle) vzduchotechnické jednotky (AHU) a elektrických čerpadel pro hydraulické okruhy.
Systémy HVAC
Fan-coil jednotky (FC) – kompaktní vysoce výkonné jednotky pro přenos tepla, které se skládají z ventilátoru, filtru, vodních výměníků a odkapávací vany kondenzátu. Byly uvažovány horizontální zakryté jednotky, instalované do zavěšených stropních podhledů, dodávány se 100% čerstvého vzduchu skrze centrální vzduchotechnickou jednotku (AHU).
Chladicí trámy (CB) - Aktivní chladicí trámy [2], které jsou předmětem prezetované práce, jsou indukční jednotky zásobované 100% čerstvým vzduchem z AHU jednotky a k hydraulickému systému pomocí vodních spirál. Díky vyšším teplotám chladicí vody, než je běžných 7/12°C nedochází ke kondenzaci a není třeba odkapávací vany kondenzátu, ani filtru vratného vzduchu, protože proces chlazení není následován odvlhčováním nebo kondenzací. Vzhledem k poloze koncové jednotky (obrázky 1 a 2) a jejím podmínkám distribuce vzduchu, byla přípustná účinnost ventilace 100% pro chladicí trámy (CB) a 80% pro fan-coil jednotky (FC).
Obrázek 1.
Umístění chladicího trámu v nemocničním pokoji.
Obrázek 2.
Umístění fan-coil jednotky v nemocničním pokoji.
Metodika
Roční potřeby tepla – Metoda použitá pro výpočet potřeby tepla byla založena na roční energetické bilanci, upravených z dřívější portugalské vyhlášky-zákona č.40/90, se zavedením některých parametrů z dřívější portugalské vyhlášky-zákona č. 118/98 a úprav týkajících se portugalské vyhlášky-zákona č.79/2006, s cílem vyhovění požadavkům nejnovějších předpisů. Rovněž byly zavedeny některé parametry pro odhad skutečného provozu systému HVAC.
Tomuto řešení byla dána přednost před podrobnou počítačovou simulací, protože bylo záměrem vyvinout snadný nástroj prognózování spotřeby energie, dovolující jednoduchý způsob porovnání obou systémů s cílem získání hrubých porovnatelných hodnot.
Denostupně a denní vlhkosti (Degree-day a humidity-day) – Pro určení ročních potřeb tepla je nezbytné uvažovat sadu klimatických údajů reprezentativních pro umístění budovy, pro tento účel byla použita databáze portugalského softwaru Solterm. Stanovení ročního vývoje teploty bylo založeno na koncepci denostupňů. Protože tato koncepce dovoluje pouze odhadovat citelné potřeby vycházející z rozdílu teplot, je zavedena nová koncepce, Humidity-Day (vlhkostní dny), aby se odhadly latentní potřeby vycházející z rozdílu absolutní vlhkosti – obzvláště protože porovnávané jednotky, konkrétně CB, vyžadují regulaci vlhkosti. Předpokládalo se, obecně, že latentní potřeby v sezóně chlazení plynou z odvlhčení a v topné sezóně ze zvlhčování.
Spotřeba elektřiny a plynu – Spotřeba energie HVAC zařízení byla vypočítána při uvažování dat poskytnutých dodavateli.
Uhlíkové emise – Pro výpočet uhlíkových emisí HVAC systémů byla použita metodika odhadu životnosti, a byla uvažována následující stádia:
- Výroba zařízení;
- Transport zařízení;
- Energie spotřebovaná během provozu;
- Činnosti údržby;
- Likvidace odpadu po skončení životnosti.
Metodika výpočtu použitá v této práci, obzvláště emisní faktory, byly založeny na manuálech poskytnutých ADEME, s odkazem na metodu Bilan Carbon [3] [4], přičemž ještě podléhá některým úpravám v národním kontextu.
Výsledky
Aktuální studie byla provedena pro systém skládající se z 106 koncových jednotek, 4 oběhová čerpadla a 1 vzduchotechnické jednotky, pro životní cyklus 30 let, pro každý systém HVAC.
Roční potřeby tepla – Z výsledků znázorněných na obrázku 3 a 4, by měly být zdůrazněny následující položky:
- Teplotní rozdíl garantovaný CB-AHU v chladicím období (Tins = 15°C), vyšší než teplotní rozdíl ve FC-AHU (Tins = 22°C), má za následek, že energie nesená primárním vzduchem v systému CB je vyšší, což představuje pokles lokálních citelných potřeb, přibližně 60% tepelných potřeb FC jednotek. Celkově citelné potřeby chlazení obou systémů jsou téměř identické s relativním rozdílem 4%;
- Protože CB jednotky nejsou schopné odstranit vlhkost (latentní zátěž), CB-AHU musí zajistit dodatečné odvlhčování, což zvyšuje tepelnou zátěž vázaným teplem jak u čerstvého vzduchu, takv prostoru. Tudíž, CB-AHU vyžaduje asi dvakrát více energie na odvlhčování než FC-AHU;
- Během topné sezóny, jsou lokální potřeby vytápění zanedbatelné, neboť se pohybují kolem 4% z celkových potřeb, což může být následek tepelných zisků od slunečního záření, ale hlavně vnitřních tepelných zisků, které jsou významné v trvale obsazených prostorách.
Celkový, globální rozdíl potřeb chlazení v obou systémech není významný a představuje asi 1 %.
Obrázek 3.
Roční potřeby chlazení (MWh/rok).
Obrázek 4.
Roční potřeby vytápění (MWh/rok).
Potřeby vytápění jsou významně nižší v systému CB, s relativním rozdílem asi 19% - protože základní spotřeba spočívá v citelných potřebách AHU, nepřekvapuje, že relativní rozdíl mezi dvěma HVAC systémy odpovídá zhruba rozdílu mezi průtoky čerstvého vzduchu a jejich předpokládanými účinnostmi větrání.
Spotřeba energie – Vzhledem k získaným výsledkům, znázorněným na obrázku 5 a 6, je třeba zdůraznit následující body:
- V celkové bilanci jsou roční potřeby chladu přibližně shodné pro oba systémy, což představuje identickou spotřebu elektrické energie pro zdroj chladu s relativním rozdílem asi 1 %;
- Použití CB pomáhá snížit spotřebu větrání o 30%, protože absence motorů v jednotkách CB přispívá významně k jejímu snížení. Pokud jde o AHU ventilátory, navzdory tomu, že průtok čerstvého vzduchu CB-AHU představuje 80% průtoku čerstvého vzduchu systémem FC-AHU, jejich spotřeby elektrické energie jsou přibližně stejné, což je způsobeno hlavně přídavnými tlakovými ztrátami asi 125 Pa v jednotkách CB.
Obrázek 5.
Roční spotřeba elektřiny (MWh/rok).
Obrázek 6.
Roční spotřeba plynu (MWh/rok).
Celková spotřeba elektrické energie představuje relativní rozdíl 18.5%.
S ohledem na spotřebu plynu kotle, relativní rozdíl mezi systémem CB oproti systému FC je asi 19%, což je přímý důsledek jejich potřeb vytápění.
Obrázek 7.
Globální uhlíkové emise (tunaCeq/jed.).
Uhlíkové emise – Odhadované emise po dobu 30 let jsou 879.0 ± 14% tun Ceq pro FC systém a 707.0 ± 13% tun Ceq pro CB systém. Při pohledu na proporce analyzovaných kategorií zobrazené na obrázku 7, je zřejmé, že hlavní faktor emisí spočívá v energii spotřebované během provozu, což odpovídá spotřebě elektrické energie a plynu, ovlivňujícími asi 95% celkových globálních emisí.
Průměrná roční distribuce uhlíkových emisí obou systémů, znázorněná na obrázku 8, umožňuje následující poznámky:
- Špičky uhlíkových emisí obou systémů nastávají v 1. a 16. roce, kdy probíhá instalace nového HVAC vybavení, konkrétně FC jednotek a AHU, které mají průměrnou životnost 15 let. Výroba a transport CB přispívá pouze v 1. roce, díky jejich 30leté průměrné životnosti;
- Obecně, uhlíkové emise CB systému mají během analyzovaného období menší kolísání, což je dáno méně častými údržbovými operacemi a tak je ověřeno, že nejdůležitější příspěvek je v 6., 11., 21., a 26. roce, kdy jsou vyměňovány motory AHU a spirály. Pokud jde o systém FC, kromě uvedených operací údržby přispívají k jeho uhlíkovým emisím také další operace převíjení motoru každé 3 roky a operace výměny filtru zpětného vzduchu každých 5 let.
Obrázek 8. Distribuce uhlíkových emisí v období 30 let (tuna Ceq).
Připomínky a závěry
S použitím vyvinutých nástrojů na odhadování spotřeby energie a uhlíkových emisí je možno shrnout, že:
Finální spotřeba energie – provoz CB systému poskytuje roční snížení spotřeby energie, 18.5% u elektřiny a 19.3% u plynu, v porovnání se systémem FC.
Uhlíkové emise – V 30letém životním cyklu je snížení uhlíkových emisí asi 20%, pokud zvolíme CB místo FC, což vykazuje na koncovou jednotku, 8.3 ± 14% tunCeq/jednotku oproti 6.7 ± 13% tun Ceq/jednotku. Hlavní faktor emisí spočívá v energii spotřebované během, provozu, ovlivňující okolo 95% celkových emisí.
Rovněž cenná je koncepce humidity-day (vlhkostních dní), která se ukazuje jako efektivní i jednoduchá z hlediska použití.
Výsledky této studie posilují výhody použití CB v nemocnicích a přispívají k jejich možné aplikaci v portugalských nemocnicích, přičemž tyto úvahy byly nedávno podpořeny národními zdravotními doporučeními.
Poděkování
Autor děkuje Prof. Jorge Saraivovi a Prof. Tiago Domingosovi za jejich cenný dohled a rovněž společnosti Teixeira Duarte Engenharia e Construcoes, S.A. za její podporu.
Reference
[1] Ventura, F. (2011). Emissoes de Carbono - Estudo Comparativo entre Sistemas AVAC em Ambiente Hospitalar: Vigas
Arrefecidas e Ventiloconvectores. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Lisboa: Instituto Superlor Tecnico.
[2] Virta, M. (Ed.) (2006). Manual REHVA - Vigas Arrefecidas. Lisboa: OE / REHVA.
[3] ADEME (2007). Bilan Carbone, Emission Factors Guide - version 5.0. Paris: ADEME.
[4] ADEME (2007). Bilan Carbone, Methodological Guide - version 5.0. Paris: ADEME.
The present study describes the methodology used for the determination of carbon emissions from HVAC systems in order to assess possible options for greener systems. Simple tools were developed and applied for this purpose [1] and a case study was performed on an inpatient ward of an hospital building located in Faro, Portugal, being considered fan coils and chilled beams as terminal units.