Практические советы по энергоэффективности и управлению операционными AHU

Цели обучения

• Узнайте, как требования к температуре и влажности в рабочем помещении влияют на рабочие состояния агрегата, работоспособность экономайзера и выбор температуры нагнетаемого воздуха.
• Примените логику экономайзера, основанную на температуре и энтальпии, которая позволяет избежать непреднамеренного увеличения энергии охлаждения или увлажнения.
• Внедрите стратегии сброса температуры нагнетаемого воздуха и статического давления вентилятора, которые уменьшают охлаждение, повторный нагрев и энергопотребление вентилятора, сохраняя при этом ИЛИ контроль окружающей среды.

ИЛИ информация об AHU

• Операционная AHU в медицинском учреждении должна сочетать энергосбережение со строгими требованиями к вентиляции, контролю температуры, влажности, предотвращению инфекций и надежности, что делает выбор экономайзера гораздо более сложным, чем в типичных коммерческих системах.
• Наиболее эффективной энергетической стратегией ИЛИ AHU является поддержание минимального количества наружного воздуха, включение экономайзера только тогда, когда и температура, и энтальпия благоприятны, учет штрафов за увлажнение и использование сброса температуры нагнетаемого воздуха и сброса статического давления для уменьшения охлаждения, повторного нагрева и энергопотребления вентилятора.

Энергосбережение становится все более важным при проектировании и эксплуатации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), поскольку отрасль реагирует на ужесточение энергетических норм, цели устойчивого развития владельцев и более широкие последствия потребления энергии. Медицинские учреждения относятся к числу наиболее энергоемких типов зданий и представляют собой значительную возможность для экономии энергии. В то же время они являются одной из самых сложных сред для ответственного снижения энергопотребления, поскольку системы HVAC должны обеспечивать безопасность жильцов, инфекционный контроль, надежность и резервирование, а также строгие требования экологического контроля.

Операционные залы (ОР) являются ярким примером этой сложности. ИЛИ системы HVAC должны поддерживать температуру и влажность в узком допустимом диапазоне, обеспечивая при этом высокие скорости наружного воздуха и высокие скорости воздухообмена. Хотя стандарт ASHRAE 170: Вентиляция медицинских учреждений допускает температуру в операционной в диапазоне от 68°F до 75°F, некоторые клинические пользователи предпочитают температуру охлаждения всего лишь 62°F, а в некоторых юрисдикциях установлены другие требования к максимальной температуре. Во всем этом диапазоне ASHRAE 170 также требует, чтобы система поддерживала относительную влажность от 30% до 60%.

Соблюдение требований как по температуре, так и по влажности часто увеличивает потребность в повторном нагреве, выходящую далеко за пределы того, что типично для систем, не относящихся к здравоохранению. Поскольку требуемая скорость воздухообмена поддерживается независимо от холодильной нагрузки, система подогрева должна быть рассчитана таким образом, чтобы регулировать полный поток приточного воздуха из охлаждающего змеевика на выходе до температуры, необходимой для поддержания условий в помещении, особенно после осушения во влажных условиях наружного воздуха.

Типичная конфигурация ИЛИ AHU и почему это важно

Хотя конструкции OR AHU различаются в зависимости от объекта, климата и предпочтений владельца, многие системы имеют общие элементы, предназначенные для удовлетворения требований к температуре, влажности, фильтрации и надежности (см. Рисунок 1). Типичная конфигурация ИЛИ AHU может включать:

• Секция забора наружного воздуха с заслонками, часто включая:
  • A одинарный модулирующий клапан наружного воздуха которое варьируется от минимального положения для поддержания требуемого нормой расхода наружного воздуха до максимального положения во время работы экономайзера, когда наружные условия благоприятны; или
  • минимальная заслонка наружного воздуха , которая поддерживает постоянный требуемый расход наружного воздуха в сочетании с отдельной заслонкой экономайзера , который модулирует дополнительный наружный воздух во время работы экономайзера.
• Секция смешивания , где наружный воздух и возвратный воздух объединяются:
  • В некоторых конструкциях канальный блендер или смесительное устройство используется для улучшения смешивания воздуха и уменьшения расслоения, что обеспечивает стабильное обнаружение и контроль.
• Предварительные и финальные фильтры:
  • Двухступенчатый подход (фильтр предварительной очистки и фильтр окончательной очистки) обычно используется для защиты змеевиков и поддержания качества воздуха; Типичные схемы включают в себя 8–11 предварительных фильтров с минимальным отчетным значением эффективности (MERV) и MERV от 14 до 16 или высокоэффективные фильтры окончательной очистки воздуха от твердых частиц, в зависимости от требований предприятия.
• Предварительный нагрев теплообменника (часто горячая вода или пар):
  • Используется для предотвращения чрезмерного охлаждения смешанного воздуха, предотвращения замерзания змеевика и снижения риска дискомфорта при работе в холодную погоду.
• Змеевик(ы) охлаждения/осушки:
  • В зависимости от требований к влажности, температуры охлажденной воды и климата, OR AHU могут полагаться на традиционные стратегии осушения охлаждающего змеевика и/или усиленные стратегии осушения, такие как гликолевые охлаждающие змеевики или осушающие колеса.
  • A гликолевая система охлаждения может использоваться для поддержания более низких рабочих температур охлажденной воды путем обеспечения защиты от замерзания, позволяя охлаждающему змеевику охлаждать приточный воздух до желаемой температуры точки росы (например, 42 °F). Гликоль добавляется в отдельную систему охлажденной воды в определенной концентрации (например, 30 % пропиленгликоля) для снижения точки замерзания и защиты змеевиков при работе с более низкой температурой воды (например, 32 °F на подаче, 42 °F на возврате). Этот подход повышает скрытую производительность, избегая при этом риска замерзания змеевика за счет снижения эффективности теплопередачи и дополнительной энергии накачки.
  • Осушительное колесо также может использоваться для достижения более низких температур точки росы. В обычной конфигурации осушительное колесо устанавливается между первичным и вторичным охлаждающим змеевиком. Змеевик первичного охлаждения обычно охлаждает воздух примерно до температуры от 49 до 52°F, после чего воздух проходит через осушительное колесо, где удаляется дополнительная влага для достижения целевой точки росы. Процесс осушения добавляет ощутимое тепло к воздушному потоку, требуя, чтобы вторичный охлаждающий змеевик выполнял только ощутимое охлаждение для достижения желаемой температуры приточного воздуха. Осушительное колесо регенерируется с использованием смешанного воздуха перед первичным охлаждающим змеевиком, который при необходимости предварительно нагревается для достижения требуемой эффективности осушения.
• Система увлажнения (с использованием центрального пара, если таковой имеется, газовых или электрических парогенераторов):
  • Используется для поддержания минимальной относительной влажности (относительная влажность 30%) в сухих условиях на открытом воздухе.
• Приточные и возвратные вентиляторы и элементы управления (частотно-регулируемый привод, или ЧРП, для каждого двигателя вентилятора или один ЧРП для группы вентиляторов), а также датчики температуры нагнетаемого воздуха и статического давления в воздуховоде.

ИЛИ влияние экологических требований на рабочее состояние

ИЛИ элементы управления HVAC ограничены тремя необсуждаемыми требованиями:

• Необходимо обеспечить вентиляцию и минимальный уровень наружного воздуха .
• Температура должна контролироваться в требуемом диапазоне.
• Относительная влажность должна оставаться в пределах от 30 % до 60 % при этих температурных условиях.

Эти ограничения должны соблюдаться в ряде основных рабочих состояний AHU, которые следует учитывать явно в последовательности операций:

• Полное охлаждение (часто летние и влажные дни)
• Экономайзер с охлаждающим змеевиком (когда наружный воздух может снизить механическую энергию охлаждения)
• Естественное охлаждение (когда наружный воздух может обеспечить полную охлаждающую нагрузку)
• Предварительный нагрев (защита и кондиционирование от холода)

Распространенной ошибкой является рассмотрение логики экономайзера как отдельного «включающего» решения, основанного только на условиях наружного воздуха. Для операционных экономайзер следует рассматривать в контексте активности других компонентов, особенно в отношении осушения и увлажнения (см. Таблицу 1).

В Таблице 1 приведены общие рабочие состояния кондиционеров для операционных, включая полное охлаждение, экономайзер с охлаждением, естественное охлаждение и предварительный нагрев, а также показаны соответствующие методы контроля температуры и вопросы контроля влажности в каждом состоянии. С разрешения: WSP

Решения экономайзера должны учитывать температуру, энтальпию

Режим экономайзера часто называют «естественным охлаждением», но это описание может вводить в заблуждение в операционных приложениях, поскольку воздух все равно необходимо кондиционировать, чтобы он соответствовал ограничениям как по температуре, так и по относительной влажности. Во многих климатических условиях сама по себе температура наружного воздуха не является плохим показателем того, будет ли работа экономайзера экономить энергию. Содержание влаги может доминировать в общей энергии, необходимой для кондиционирования воздуха, и этот вклад влаги более точно отражается энтальпией.

Полезный способ концептуализировать важность влаги заключается в следующем: для снижения температуры насыщенного воздуха по сухому термометру по сравнению с сухим воздухом на ту же величину требуется примерно в три раза больше энергии охлаждения.

Поэтому для OR AHU решения о включении экономайзера должны учитывать оба фактора:

• Наружный воздух температура и
• Энтальпия наружного воздуха (относительно энтальпии возвратного воздуха)

Даже этого не всегда достаточно, поскольку экономайзер все равно может создавать последующие воздействия (особенно потребность в увлажнении), которые сводят на нет экономию. Однако температура и энтальпия являются подходящей отправной точкой и являются более надежными, чем просто температура.

Во многих кондиционерах для операционных помещений минимальный процент наружного воздуха часто составляет 20%, что обусловлено требованием ASHRAE 170 о четырех сменах наружного воздуха и 20 общих воздухообменах в час, но может быть и выше в зависимости от конфигурации системы и зонирования пространства. Работа экономайзера может значительно увеличить процентное содержание наружного воздуха выше минимального, усиливая воздействие явного и скрытого кондиционирования.

Пример 1: прохладный наружный воздух с высоким содержанием влаги

Рассмотрим сценарий влажного климата: дождливый день, а температура наружного воздуха составляет 60 °F. Последовательность экономайзеров, учитывающих только температуру, скорее всего, позволит обеспечить охлаждение экономайзера, поскольку температура наружного воздуха ниже типичных уставок ИЛИ.

Однако, если наружный воздух близок к насыщению, добавление большего количества наружного воздуха увеличивает попадание влаги в AHU. Несмотря на то, что температура по сухому термометру является «прохладной», общая энергия воздуха может быть выше, чем у возвратного воздуха из-за скрытого содержания тепла.

В этом случае увеличение количества наружного воздуха может увеличить нагрузку на осушение и энергию механического охлаждения, необходимую для достижения такого состояния приточного воздуха, при котором в операционной поддерживается температура до 62 °F и относительная влажность в пределах 30–60 %. Логика экономайзера на основе энтальпии специально предназначена для предотвращения такого результата. Когда энтальпия наружного воздуха выше энтальпии возвратного воздуха, экономайзер должен оставаться на минимальном уровне наружного воздуха, даже если температура наружного воздуха ниже.

Практический вывод: во влажных условиях логика экономайзера, учитывающая только температуру, может привести к снижению энергопотребления. Сравнение энтальпии необходимо, чтобы избежать попадания «прохладного, но влажного» воздуха, который увеличивает общую энергию кондиционирования (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Психрометрическое сравнение, показывающее наружный воздух при низкой температуре по сухому термометру, но с высоким содержанием влаги, демонстрируя, как общая потребность в энергии для охлаждения может превышать потребность в более теплом и сухом возвратном воздухе. Диаграмма показана только в концептуальных целях. С разрешения: WSP, ссылка на ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ HANDS DOWN

Пример 2: теплый, очень сухой наружный воздух

Рассмотрим другой сценарий: весенний полдень в пустыне. Наружные условия могут быть жаркими и очень сухими (например, 83°F и 10 % относительной влажности), в то время как в операционной поддерживаются 72 °F и 35 % относительной влажности. В таких условиях энтальпия наружного воздуха может быть ниже, чем энтальпия возвратного воздуха, даже если температура наружного воздуха по сухому термометру выше. Если включение экономайзера основано только на энтальпии, это может привести к включению экономайзера таким образом, что общее потребление энергии по-прежнему увеличится.

Для операционных это создает две основные проблемы:

• Влияние температуры и охлаждающая нагрузка: Даже если энтальпия наружного воздуха ниже, приток значительно более теплого воздуха увеличивает ощутимую охлаждающую нагрузку, которую AHU должен снять, чтобы удовлетворить требования к температуре нагнетаемого воздуха и поддерживать заданное значение температуры OR.
• Влияние влажности и потенциальная потребность в увлажнении: Очень сухой наружный воздух может привести к снижению относительной влажности помещения. Поскольку относительная влажность воздуха должна оставаться выше 30 %, увеличение количества наружного воздуха в сухих условиях может перевести кондиционер в режим увлажнения. Энергия увлажнения, особенно при использовании электрического пара, может быть значительной. Это создает условия, при которых энтальпия может указывать на благоприятность экономайзера, но ограничение относительной влажности OR делает его неблагоприятным на практике.

Практический вывод: энтальпию необходимо учитывать, но ее может быть недостаточно. Включение экономайзера в операционных должно учитывать как температуру, так и энтальпию, а также учитывать, когда требуется увлажнение (см. Рисунок 3).

Рис. 3. Психрометрический пример, иллюстрирующий сценарий, в котором энтальпия наружного воздуха ниже, чем энтальпия возвратного воздуха, несмотря на более высокую температуру по сухому термометру, что увеличивает потребность в увлажнении при включенном экономайзере. Диаграмма показана только в концептуальных целях. С разрешения: WSP, ссылка на ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ HANDS DOWN

Логика включения экономайзера

Удобный для ввода в эксплуатацию способ документировать логику включения экономайзера — структурировать ее как набор вентилей. Это облегчает объяснение, тестирование и устранение неполадок.

Ворота 1: Минимальная потребность в наружном воздухе: Всегда необходимо поддерживать минимальное количество наружного воздуха для удовлетворения требований к вентиляции, инфекционному контролю и герметизации. При работе экономайзера никогда не допускается уменьшение количества наружного воздуха ниже этого минимума.

Ворота 2: Условия температуры и энтальпии: Экономайзер следует включать только тогда, когда наружные условия благоприятны по сравнению с возвратным воздухом:

• Температура наружного воздуха должна быть ниже температуры возвратного воздуха (или ниже определенного верхнего предела температуры экономайзера); и
• Энтальпия наружного воздуха должна быть ниже энтальпии возвратного воздуха (или ниже определенного верхнего предела энтальпии экономайзера)

Если температура или энтальпия не подходят, экономайзер должен оставаться на минимальном уровне наружного воздуха.

Ворота 3: Энергия увлажнения: Для кондиционеров в операционных, которые должны поддерживать относительную влажность на уровне 30 % или выше, энергия увлажнения может быстро стать доминирующим компонентом общего энергопотребления системы в сухих наружных условиях. Хотя существуют сценарии, в которых увеличение количества наружного воздуха может обеспечить скромный кредит энергии на охлаждение, чистая выгода зависит как от эффективности системы охлаждения, так и от энергоемкости источника увлажнения.

Практический подход состоит в том, чтобы оценить ценность энергии охлаждения, связанную с увеличением количества наружного воздуха во время работы экономайзера, и сравнить ее с дополнительной энергией увлажнения, необходимой для поддержания минимальной относительной влажности 30%. Это сравнение можно использовать для определения порога условий наружного воздуха, при котором потери от увлажнения перевешивают выгоду от охлаждения. При превышении этого порога работа экономайзера должна быть отключена, а кондиционер должен перейти на минимальный объем наружного воздуха.

Хотя эта точка баланса будет варьироваться в зависимости от климата, типа системы и тарифов на коммунальные услуги, ее явная оценка позволяет адаптировать стратегию экономайзера к реальной экономике системы, а не полагаться исключительно на общие пределы температуры или энтальпии.

С энергетической точки зрения наименее затратным воздухом для подготовки операционной является воздух, который только что вернулся из операционной.

Влияние заданного значения температуры ИЛИ на работоспособность экономайзера

Для агрегатов, обслуживающих отдельные операционные помещения, заданное значение комнатной температуры оказывает существенное влияние как на температуру нагнетаемого воздуха, необходимую для поддержания условий в помещении, так и на диапазон условий наружного воздуха, при которых работа экономайзера может обеспечить значительную энергетическую выгоду. ИЛИ, работающий вблизи верхнего предела допустимого диапазона температур (например, 75°F), может выдерживать более высокие температуры нагнетаемого воздуха и условия смешанного воздуха, что расширяет диапазон условий наружного воздуха, при которых охлаждение экономайзера может компенсировать механическое охлаждение.

Напротив, OR, работающий при низкой заданной температуре (например, 62°F), требует более низких температур нагнетаемого воздуха и существенно сужает окно экономайзера. Поэтому проектировщикам следует оценивать критерии включения экономайзера в контексте конкретной уставки температуры ИЛИ, особенно для однозонных систем, где AHU тесно связан с условиями одного пространства (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Рабочие зоны для кондиционеров в операционных, показывающие взаимодействие между явным охлаждением, скрытым охлаждением, увлажнением и работой экономайзера при изменении условий наружного воздуха. Диаграмма показана только в концептуальных целях. С разрешения: WSP, ссылка на ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ HANDS DOWN

Сброс температуры нагнетаемого воздуха

Сброс температуры приточного воздуха (SAT) — это отдельная, но дополнительная стратегия, которая может снизить потребление энергии за счет минимизации ненужного охлаждения и повторного нагрева. Важно отметить, что сброс SAT может быть полезен не только зимой, но и в межсезонье, включая периоды, когда может потребоваться увлажнение, а экономайзер может быть нежелателен.

Сброс SAT может значительно снизить энергию повторного нагрева, избегая слишком холодного приточного воздуха при низких нагрузках, чувствительных к пространству. Практическая стратегия сброса SAT в системах с переменным расходом воздуха (VAV) заключается в контроле потребности в охлаждении всех оконечных устройств в системе. Один из примеров логической последовательности:

• Увеличьте SAT на 0,5 °F, , если ни в одной системе VAV потребность в охлаждении не превышает 80 %, при условии соблюдения определенного максимального предела SAT.
• Понизьте SAT на 0,5 °F если какой-либо VAV в системе имеет потребность в охлаждении более 90%, при условии соблюдения определенного минимального предела SAT.

Этот подход можно улучшить за счет включения положений регулирующего клапана змеевика промежуточного нагрева для терминальных устройств с постоянным объемом:

• Если положения регулирующего клапана змеевика промежуточного нагрева постоянно высокие, SAT может быть слишком холодным, и повышение SAT может снизить энергию повторного нагрева.
• И наоборот, если какие-либо регулирующие клапаны теплообменника промежуточного нагрева полностью закрыты, а охлаждение все еще требуется, возможно, потребуется снизить SAT, чтобы удовлетворить потребность в охлаждении.

В операционных системах с постоянным объемом сброс SAT может быть ключевым способом обеспечения значительной экономии энергии, когда точка росы смешанного воздуха находится в пределах целевого диапазона и нагрузки по охлаждению помещений не требуют проектного SAT. Эта стратегия должна быть ограничена необходимостью поддерживать температуру и относительную влажность в операционной в допустимых пределах. На практике владельцы часто устанавливают консервативные пределы SAT, а затем настраивают скорость сброса на основе наблюдаемых характеристик ИЛИ и отзывов при вводе в эксплуатацию.

Практический вывод: даже если экономайзер заблокирован из-за увлажнения, сброс SAT все равно может обеспечить значительную экономию за счет уменьшения ненужного охлаждения и повторного нагрева в условиях низкой нагрузки.

Сброс статического давления

В системах VAV, обслуживающих операционные и связанные с ними вспомогательные помещения, сброс статического давления в воздуховоде может обеспечить значительную экономию энергии вентилятором при реализации с соответствующими мерами безопасности. Вместо поддержания фиксированного, консервативного заданного значения статического давления стратегии сброса регулируют давление вентилятора в зависимости от фактической нагрузки на терминал, снижая скорость вентилятора и энергию вентилятора в периоды низкой потребности в воздушном потоке.

Распространенным и эффективным подходом является сброс статического давления в воздуховоде на основе положения заслонки терминала VAV. Когда большинство оконечных заслонок работают в относительно закрытых положениях, это указывает на то, что статическое давление в системе выше, чем необходимо, и уставку статического давления приточного вентилятора можно постепенно уменьшать. И наоборот, когда один или несколько терминалов приближаются к полностью открытому положению, статическое давление может быть увеличено, чтобы обеспечить подачу достаточного воздушного потока в наиболее требовательную зону.

Для операционных систем AHU этот подход следует реализовывать с особым вниманием к чувствительности и резервированию системы. Логика сброса должна основываться на наиболее открытом терминальном устройстве, а не на среднем положении заслонки, чтобы обеспечить защиту критически важных пространств. Во время балансировки системы все терминалы VAV должны быть установлены на максимальные заданные значения воздушного потока, а статическое давление, при котором наиболее открытая заслонка терминала открыта на 95 %, должно быть установлено как максимальное заданное значение статического давления.

Аналогичным образом, когда все терминалы VAV установлены на минимальные заданные значения расхода воздуха, статическое давление, соответствующее максимально открытому положению заслонки на 95 %, должно быть установлено как минимальное заданное значение статического давления. Последовательность сброса статического давления может быть структурирована аналогично логике сброса температуры нагнетаемого воздуха, обсуждавшейся ранее, с использованием поэтапных корректировок в зависимости от потребности с определенными верхним и нижним пределами.

Некоторые нормы и стандарты объектов допускают снижение скорости воздухообмена в определенных режимах отсутствия людей, что может еще больше повысить эффективность сброса статического давления, если это разрешено. ASHRAE 170 В Таблице 7-1 указано, какие типы помещений допускают укладку незанятых помещений. Любые такие сокращения должны быть тщательно скоординированы для поддержания требуемого соотношения давления в прилегающих помещениях.

При правильной настройке сброс статического давления дополняет сброс температуры нагнетаемого воздуха за счет снижения энергии вентилятора в условиях низкой нагрузки без ущерба для управления воздушным потоком или повышения давления в помещении. В совокупности эти стратегии позволяют операционным AHU динамически реагировать на фактический спрос, а не работать непрерывно в наихудших расчетных условиях.

Выводы по дизайну и управлению

Для OR AHU, в которых относительная влажность должна оставаться в пределах 30–60 %, наиболее надежным подходом является сосредоточение внимания на надежных, комиссионных стратегиях управления:

• Постоянно поддерживайте минимальный уровень наружного воздуха.
• Включайте экономайзер только тогда, когда наружная температура и энтальпия являются благоприятными.
• Считайте активное увлажнение практическим состоянием блокировки экономайзера.
• Используйте сброс температуры нагнетаемого воздуха, чтобы уменьшить ненужное охлаждение и повторный нагрев в межсезонье и зимой, в зависимости от температуры операционной и требований к относительной влажности.
• Используйте сброс статического давления вентилятора, чтобы снизить энергопотребление вентилятора в условиях низкого расхода воздуха.

Эти принципы стратегически ограничивают работу экономайзера периодами, когда он с наибольшей вероятностью обеспечит реальную чистую экономию без создания дополнительных штрафов за контроль влажности.

Публикация Практические советы по энергоэффективности и контролю за операционными кондиционерами