Декарбонизация при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: поэтапный процессный подход

Цели обучения

• Узнайте, почему декарбонизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха важна в контексте глобального потребления энергии и потребления энергии в США.
• Узнайте, как добиться декарбонизации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, используя поэтапный систематический подход.
• Узнайте, как интеграция чистых источников энергии, таких как рекуперация тепла сточных вод, может снизить выбросы в зданиях.

Информация о декарбонизации

• На системы отопления, вентиляции и кондиционирования приходится примерно 40 % общего энергопотребления зданий, что делает декарбонизацию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха одним из наиболее эффективных способов сокращения эксплуатационных выбросов углекислого газа в зданиях.
• Стратегия поэтапной декарбонизации, включающая повышение энергоэффективности, электрификацию систем отопления, вентиляции и кондиционирования и интеграцию экологически чистых источников энергии, может помочь сократить выбросы и одновременно свести к минимуму нагрузку на электрическую инфраструктуру.

Декарбонизация — это стратегические и систематические усилия, направленные на сокращение и удаление ископаемого топлива и связанных с ним выбросов углерода из окружающей среды. Декарбонизация направлена ​​на создание более чистой, здоровой и безопасной окружающей среды для нынешнего и будущих поколений.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), на строительные работы приходится 26% мировых выбросов углекислого газа (CO2) и 30% мирового потребления энергии (см. Рисунок 1). Прямые выбросы от зданий составляют 8% глобальных выбросов CO2, а косвенные выбросы от производства электроэнергии и тепла, используемых в зданиях, составляют 18%. Здания вносят основной вклад в выбросы парниковых газов во всем мире и в США, даже больше, чем транспорт или сельское хозяйство. По данным Агентства по охране окружающей среды США (EPA), на строительный сектор приходится 31% выбросов в США.

Рисунок 1: По данным Международного энергетического агентства, на строительные работы приходится 26% мировых выбросов углекислого газа (CO2). Прямые выбросы от зданий составляют 8% глобальных выбросов CO2, а косвенные выбросы от производства электроэнергии и тепла, используемых в зданиях, составляют 18%. С разрешения: CDM Смит

Декарбонизация зданий должна быть нацелена как на воплощенный углерод, так и на эксплуатационный углерод. По определению Центра передового опыта по декарбонизации зданий ASHRAE, воплощенный углерод — это количество углерода, выбрасываемого в течение жизненного цикла здания, от строительства до конца срока службы, включая сырье и хладагенты. Эксплуатационный углерод — это количество углерода, выбрасываемого зданием во время эксплуатации, включая выбросы от потребления энергии и воды.

Многочисленные исследования ASHRAE, Министерства энергетики США (DOE) и МЭА показывают, что на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) обычно приходится примерно 40% или более от общего потребления энергии в зданиях. Системы HVAC являются крупнейшим конечным потребителем энергии в зданиях, превосходя освещение, поскольку стандарты эффективности освещения улучшаются быстрее, чем стандарты эффективности HVAC. В результате декарбонизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха является важнейшим путем сокращения выбросов, связанных со зданиями.

Драйверы политики для декарбонизации HVAC

Для ускорения декарбонизации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха был реализован ряд политик на федеральном уровне, уровне штата и на местном уровне. На федеральном уровне Закон о снижении инфляции (IRA) обеспечивает долгосрочные финансовые стимулы для электрификации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, модернизации энергоэффективности и интеграции экологически чистой энергии, что значительно снижает ценовой барьер на пути к декарбонизации зданий. Налоговый вычет за энергоэффективность коммерческих зданий (раздел 179D) обеспечивает поддержку модернизации систем отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения, ограждающих конструкций и нагрева воды, которые снижают интенсивность энергопотребления (EUI). IRA также включает долгосрочные налоговые льготы для тепловых насосов, геотермальных систем и возобновляемой электроэнергии для поддержки сокращения выбросов.

На уровне штата и на местном уровне правительства различных стран приняли более строгую политику по ускорению декарбонизации, включая, помимо прочего, систему отопления, вентиляции и кондиционирования. Стандарт эффективности чистых зданий штата Вашингтон (CBPS) устанавливает целевые показатели энергоэффективности для существующих зданий, а также требует модернизации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или систем управления там, где потребление энергии для отопления, охлаждения и вентиляции превышает установленные пороговые значения EUI. CBPS требует соответствия стандарту ASHRAE 100: Энергоэффективность существующих зданий (2018 г.) и целевым показателям энергоэффективности.

Местный закон № 97 города Нью-Йорка (Нью-Йорк) установил ограничения на выбросы углекислого газа на уровне зданий для зданий площадью более 25 000 квадратных футов, начиная с 2024 года, а более строгие ограничения вступят в силу в 2030 году. По данным Департамента строительства Нью-Йорка, более двух третей выбросов парниковых газов приходится на здания в городе, поэтому электрификация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и повышение эффективности необходимы для соблюдения требований в крупных коммерческих и жилых зданиях.

Декарбонизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования

Для инженеров-проектировщиков систем отопления, вентиляции и кондиционирования крайне важно учитывать и внедрять усилия по декарбонизации при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха как для новых, так и для существующих зданий. Средний срок службы здания обычно составляет от 50 до 100 лет, причем многие конструкции служат дольше при правильном обслуживании. Механические системы обычно имеют срок службы 25 лет и заменяются несколько раз в течение срока службы здания. Таким образом, системы HVAC дают возможность сократить долгосрочные эксплуатационные выбросы углекислого газа в существующих зданиях.

Декарбонизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха наиболее эффективно достигается за счет поэтапного процесса: сокращение спроса на энергию, электрификация систем и интеграция экологически чистых источников энергии (см. рисунок 2). Этот прогресс основан на предположении, что наиболее экономически эффективной и экологически чистой единицей энергии является та, которая в настоящее время не используется. После того, как будут реализованы меры по повышению энергоэффективности, а размеры и производительность систем и оборудования будут оптимизированы, прогресс приведет к замене электрифицированных систем с последующей интеграцией источников чистой энергии.

Рисунок 2. Декарбонизации в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха можно добиться, следуя поэтапному систематическому подходу. Во-первых, снизить потребность зданий в энергии. Во-вторых, электрифицировать системы отопления, вентиляции и кондиционирования. В-третьих, интегрировать чистые источники энергии. С разрешения: CDM Смит

Путем снижения нагрузки на отопление и охлаждение в первую очередь меры по энергоэффективности снижают пиковую потребность в электроэнергии и позволяют использовать электрифицированные системы меньшего размера и более экономичные. Таким образом, масштабы возобновляемой энергетики и необходимой сетевой инфраструктуры сводятся к минимуму. Без агрессивных мер по повышению эффективности электрификация сама по себе рискует увеличить затраты на электроэнергию, перегрузить электрические системы и ограничить возможность более глубокого сокращения выбросов углекислого газа в течение оставшегося срока службы здания.

Декарбонизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: поэтапный подход

Этап 1. Снижение энергопотребления (энергоэффективность)

Определение и реализация мер по повышению энергоэффективности, часто руководствуясь процессом энергоаудита, является важнейшим шагом на пути к экономически эффективной декарбонизации. Энергоэффективность снижает нагрузку на отопление и охлаждение, минимизирует размеры системы и улучшает эксплуатационное использование энергии.

Для снижения нагрузки на отопление и охлаждение здания можно реализовать такие меры по энергоэффективности, как стратегии пассивного проектирования, улучшение тепловых оболочек зданий и оптимизация стратегий вентиляции.

Институт пассивного дома разработал стандарт пассивного дома для характеристик зданий. Чтобы соответствовать этому стандарту, здания должны добиться сокращения потребностей в энергии для отопления и охлаждения на 90% и общего потребления энергии на 75% по сравнению с обычным строительством зданий. Стратегии пассивного проектирования снижают энергетические нагрузки за счет формирования формы здания и тепловой оболочки с учетом местных климатических условий. Такие стратегии, как ориентация здания, затенение, высокоэффективные тепловые оболочки, дневное освещение и естественная вентиляция, ограничивают нежелательные потери тепла и приток солнечного тепла, что позволяет пассивно снизить нагрузку на отопление и охлаждение.

Ограждающая конструкция здания включает окна, двери, стены и крышу, которые имеют соответствующие характеристики теплопередачи, зависящие от типа строительного материала. Стандарт ASHRAE 90.1: Энергетический стандарт для зданий, за исключением малоэтажных жилых зданий, излагает требования в главе 5 «Ограждение здания». Международный кодекс энергосбережения (IECC) определяет минимальные требования к тепловой оболочке в зависимости от климатических зон, как указано в разделе C402 «Требования к ограждающим конструкциям здания». Улучшение тепловой оболочки здания снижает его охлаждающую, отопительную и энергетическую нагрузку.

Оптимизация стратегий вентиляции, включая вентиляцию с контролем потребности (DCV) и рекуперацию тепла, может значительно снизить потребление энергии без ущерба для качества воздуха в помещении. DCV реализуется путем регулирования забора наружного воздуха на основе показателей присутствия людей в реальном времени, таких как датчики CO2. Стандарт ASHRAE 62.1: Вентиляция и приемлемое качество воздуха в помещениях устанавливает требования к системам механической и естественной вентиляции, включая DCV.

Рекуперация тепла обычно осуществляется с помощью вентиляторов с рекуперацией энергии воздух-воздух (ERV), таких как энтальпийные колеса и пластинчатые теплообменники (см. Рисунок 3). ERV обмениваются теплом, оставляя вытяжной воздух для предварительного нагрева или предварительного охлаждения наружного воздуха в вентиляционной установке (AHU). ERV, которые также обеспечивают перенос влаги, облегчают передачу скрытой энергии, снижая нагрузку на увлажнение. Использование рекуперации энергии снижает требования к размеру нагревательного змеевика и, следовательно, также снижает количество энергии, потребляемой для работы устройства, по сравнению с типичным AHU. IECC излагает требования к обеспечению рекуперации энергии для систем вентиляции в разделе 403.7.4 «Системы рекуперации энергии».

Рис. 3. Вентилятор с рекуперацией энергии, установленный в административном здании в Массачусетсе. Вентилятор осуществляет теплообмен между наружным воздухом и вентиляцией помещений с людьми. Он работает в режиме экономайзера воздуха, когда температура наружного воздуха ниже 60°F, и модулирует работу заслонки наружного и возвратного воздуха для поддержания заданного значения температуры смешанного воздуха. С разрешения: CDM Смит

Снижая пиковую и годовую энергию отопления и охлаждения с помощью этих мер, системы HVAC могут быть меньше по размеру и работать более эффективно. Потребление энергии можно дополнительно улучшить в существующих зданиях посредством энергоаудита, ориентированного на эксплуатационное энергопотребление.

В процессе энергоаудита часто выявляется широкий спектр мер, которые могут повысить эффективность работы системы без крупных капиталовложений в повторный ввод в эксплуатацию. Эти меры часто включают оптимизацию заданных значений температуры, давления и вентиляции, а также уточнение последовательностей управления для лучшего согласования работы оборудования с профилями занятости и нагрузки. Корректировка заданных значений и построение графиков могут исключить ненужное время выполнения.

Энергоаудит также обычно выявляет неисправное или изношенное оборудование, такое как неисправные датчики, заклинившие заслонки, вышедшие из строя приводы или неправильно работающие приводы с регулируемой скоростью, которые не позволяют системам работать должным образом и увеличивают потребление энергии. Системы, которые выиграют от ввода в эксплуатацию или повторного ввода в эксплуатацию, обычно выявляются посредством энергоаудита. Устранив эти недостатки, связанные с эксплуатацией и контролем, владельцы зданий могут добиться измеримого сокращения энергопотребления, одновременно улучшая комфорт жильцов и продлевая срок службы оборудования.

Включение этих стратегий энергоэффективности снижает потребление энергии и поддерживает переход к полностью электрическим системам.

Этап 2: электрификация систем и декарбонизация сетей

Хотя существующую систему отопления, вентиляции и кондиционирования можно заменить электрифицированной альтернативой, это может не иметь финансового смысла, если не будет максимизирована энергоэффективность. Если после достижения максимальной производительности системы требуется дальнейшая декарбонизация, необходима замена оборудования на чистое оборудование с электрическим приводом.

В коммерческих зданиях электрификация нацелена на отопление помещений и нагрев воды, где оборудование для сжигания стимулирует как потребление энергии, так и прямые выбросы на объекте. Электрификация систем отопления, вентиляции и кондиционирования заменяет сжигание ископаемого топлива на месте, например, газовых котлов, печей и водонагревателей, на электрические технологии. Из доступных электрических технологий HVAC тепловые насосы являются одним из наиболее эффективных решений.

Тепловые насосы могут предоставлять те же тепловые услуги со значительно более высокой эффективностью, особенно при работе с частичной нагрузкой. КПД технологий сжигания ограничен 80%, тогда как тепловые насосы могут передавать больше тепла, чем потребляемой ими электроэнергии; следовательно, по данным МЭА, они в три-пять раз более эффективны, чем традиционные газовые котлы. В руководстве Министерства энергетики США «Лучшие здания» это подчеркивается как ключевая стратегия декарбонизации, хотя адаптация к электрификации зависит от региона, климата, тарифов на коммунальные услуги, существующих систем и условий строительства (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Воздушный тепловой насос сплит-системы, установленный в административном здании в Массачусетсе. Наружный конденсаторный блок находится на крыше (на фото), а внутренний блок расположен внутри помещения. Хладагент циркулирует между наружным конденсаторным блоком и внутренним испарителем, обеспечивая как тепло, так и охлаждение помещения с высокой эффективностью. С разрешения: CDM Смит

Декарбонизация электрификации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха зависит от того, как производится электроэнергия в регионе, где расположено здание. Электроэнергия, производимая из традиционных видов ископаемого топлива, таких как уголь и нефть, будет иметь более высокий уровень выбросов, чем более чистые энергетические ресурсы, такие как ветер и солнечная энергия. Агентство по охране окружающей среды публикует показатели выбросов и структуру ресурсов для производства электроэнергии на всей территории США в журнале Emissions & Интегрированная база данных генерирующих ресурсов (eGRID). В зависимости от субрегиона eGRID и структуры энергетических ресурсов системы электрификации имеют разное сокращение выбросов. Заглядывая в будущее, выбросы в энергосистему со временем изменятся по мере того, как в структуру энергоресурсов будет включено больше экологически чистых источников энергии.

Этап 3: Интеграция чистых источников энергии

Помимо снижения спроса на энергию и электрификации оборудования, для достижения общих целей по декарбонизации важно использовать экологически чистые источники энергии и технологии. Технологии производства чистой энергии, такие как энергия ветра и солнца, производят чистую электроэнергию для потребления в зданиях, но утилизация отработанного тепла также является важной стратегией сокращения или устранения сжигания ископаемого топлива в системах отопления, вентиляции и кондиционирования.

Хотя промышленные процессы и центры обработки данных часто предоставляют возможности для рекуперации отходящего тепла, они не являются источниками тепла, которые широко доступны для общего фонда зданий. Для жилых зданий рекуперация тепла сточных вод является жизнеспособным и широко доступным вариантом.

Санитарные потоки, выходящие из зданий, обычно имеют температуру от 55 до 75 °F круглый год, что обеспечивает стабильный ресурс тепловой энергии для систем отопления, вентиляции и кондиционирования. Температура может повышаться в зависимости от процессов в здании, например, в больницах с паровой нагрузкой. Инфраструктура канализационной системы также является доступным источником тепловой энергии. Санитарные потоки, улавливаемые за счетчиком в здании или напрямую через более крупные магистральные канализационные линии на улице, могут обеспечивать горячее водоснабжение отдельных зданий с помощью теплового насоса или могут использоваться в качестве источников впрыска и/или отвода тепла для сетевых или районных тепловых систем с использованием теплообменников.

Преимущества комплексного подхода

Достижение значительного сокращения эксплуатационных выбросов углекислого газа в зданиях требует комплексного подхода, который отдает приоритет энергоэффективности перед переходом на электрифицированные и низкоуглеродные системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Поскольку здания являются долгосрочными активами, а механические системы заменяются несколько раз в течение их срока службы, проектные решения, принимаемые во время каждой модернизации, имеют долгосрочные последствия для использования энергии, выбросов и производительности системы. В основе этого подхода лежат меры по повышению энергоэффективности, направленные на снижение нагрузки на отопление и охлаждение зданий, а также энергопотребление.

Снижение нагрузки на отопление и охлаждение за счет улучшения тепловой оболочки, оптимизации вентиляции и усовершенствования эксплуатации позволяет системам HVAC быть меньше по размеру и работать более эффективно. Эти сокращения особенно важны по мере электрификации зданий, поскольку неуправляемый рост нагрузки может увеличить пиковый спрос на электроэнергию, перегрузить существующую электрическую инфраструктуру и потребовать производства электроэнергии с интенсивным использованием углерода.

Как только потребление энергии будет сокращено настолько, насколько это практически возможно, электрификация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха может осуществляться более эффективно и с меньшими затратами. Технологии высокопроизводительных тепловых насосов, низкотемпературные распределительные системы и усовершенствованные системы управления лучше всего применяются в зданиях с пониженными нагрузками. Продолжающиеся улучшения в декарбонизации энергосетей со временем увеличивают преимущества выбросов электрифицированных систем, еще больше усиливая важность ранних инвестиций в эффективность. Ввод в эксплуатацию и постоянная проверка производительности остаются критически важными на протяжении всего процесса, гарантируя, что системы работают так, как задумано, и продолжают обеспечивать экономию энергии и выбросов на практике, а не только в расчетных моделях.

В конечном счете, декарбонизация систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — это не какой-то один технологический выбор, а поэтапная стратегия системного уровня, которая с течением времени объединяет эффективность, электрификацию и чистую энергию. Сосредоточившись в первую очередь на снижении эксплуатационного спроса на энергию, проектные группы могут повысить комфорт, устойчивость и доступность, одновременно создавая четкий и достижимый путь к эксплуатации зданий с низким уровнем выбросов углерода. Этот подход увязывает краткосрочные экономические цели с долгосрочными климатическими целями, гарантируя, что каждая дополнительная инвестиция приближает здание к нулевой производительности, а не блокирует потребление энергии и выбросы, которых можно избежать.

Публикация «Декарбонизация в проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: поэтапный процессный подход»