Сучасні тактики охолодження будинку

С. Михненко

Охолодження будівлі є складним процесом. Сучасні технології щодо охолодження окрім подолання загальних технічних проблем спрямовані на зменшення споживання енергії та викидів вуглецю

Всередині комерційної чи житлової будівлі всі системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря (HVAC) керуються термодинамікою – галуззю науки, яка займається взаємозв’язком між температурою та енергією. Перший закон термодинаміки є узагальненням закону збереження енергії, який стверджує, що енергію не можна ні створити, ні знищити. Враховуючи, що тепло є формою енергії, його потрібно видалити, щоб охолодити простір. Це вимагає використання енергії для переміщення молекул повітря в будівлі для досягнення правильної температури в різних зонах. Тому ефективне охолодження будівлі вимагає численних правил, тактик та компромісів, які можуть бути неймовірно складними.

Певним технологічним проривом в керування системами HVAC, пов’язаних з охолодженням будівель, стало використання технологій на основі штучного інтелекту (АІ). Лише за допомогою оптимального управління АІ спрощує управління енергією в системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря та забезпечує зниження використання енергії систем HVAC щонайменше на 20%, зберігаючи комфорт та досягаючи одночасно зменшення викидів вуглецю.

Загальні проблеми охолодження будівель

1. Обладнання HVAC зазвичай розраховується так, щоб пристосуватись до найгірших сценаріїв

Вимоги, що висуваються до комерційних систем HVAC, можуть бути жорсткими. Вони значно суворіші, ніж вимоги до підтримання теплового комфорту у житлі. Великі споруди, такі як торгові будівлі та логістичні центри, вимагають багато енергії для охолодження простору, який вони займають. Не дивно, що ця потреба в потужності вимагає великих інтегрованих систем, які повинні забезпечувати комфорт під час найспекотніших умов із найбільшою вологістю.

Щоб забезпечити рівень комфорту навіть під час історичних умов (тобто для найвищих чи найнижчих температурних умов, зафіксованих за весь період синоптичних спостережень для даної місцевості), які трапляються лише в 1% випадків, системи HVAC навмисно мають великий запас потужності. На жаль, ця надлишкова охолоджуюча здатність системи HVAC може призвести до негативних наслідків, які включають:

1. Короткий цикл – така ситуація виникає, коли блок HVAC вмикається та вимикається занадто часто, що призводить до посиленої роботи компресора, двигуна вентилятора та інших компонентів. Додатковий знос цих компонентів може скоротити термін служби системи загалом.
2. Менша ступінь охолодження– інтенсивні сплески охолодження ускладнюють контроль температури в різних зонах приміщень.
3. Недостатній контроль вологості – великі системи мають потужні компресори, які через свій розмір можуть працювати недостатньо, щоб належним чином осушити повітря та створити холодні й вологі місця, що впливає на локальний комфорт. Високий рівень вологості також суттєво впливає на різноманітні проблеми якості повітря в приміщенні, збільшуючи концентрацію деяких забруднюючих речовин.
4. Вищі витрати на енергію – системи HVAC споживають найбільше енергії під час вмикання, а більші системи вимагають найбільше енергії. Навіть системи з високими показниками енергоефективності не досягнуть заявлених рівнів ефективності, якщо вони занадто великі для свого повсякденного застосування або вмикаються/вимикаються занадто часто та не реагують належним чином на умови в реальному часі.

2. Установки HVAC відрізняються за ефективністю та умовами обслуговування

Як і будь-яке інше дороге обладнання, системи HVAC потребують регулярного обслуговування, щоб підтримувати свою належну роботу. Навіть при регулярних перевірках стан системи HVAC буде змінюватися в залежності від віку, фактично відпрацьованого ресурсу, а також від якості та регулярності технічного обслуговування. Зношування компонентів, протікання або збій лише на одному даховому блоці системи централізованого кондиціонування може негативно вплинути на експлуатаційні витрати всієї дахової установки. Оскільки всі дахові блоки необхідні для забезпечення оптимальної температури та повітрообміну на бажаному рівні ефективності, важливо вчасно виявити несправні пристрої або ті, що потенціально можуть невдовзі зламатися.

Проблеми також можуть виникнути через загальний дизайн системи HVAC або через неправильне підключення або встановлення обладнання та елементів керування. Сучасний вибір складного обладнання вимагає досвідченого програмування, якого може не мати кожен інсталятор або оператор системи. Часто налаштування уставок або робочі години та графіки запрограмовані неправильно.

3. Теплове навантаження коливається по зонах протягом доби та року

У кондиціонуванні повітря теплове навантаження на охолодження – це кількість енергії, яку необхідно видалити з приміщення, щоб підтримувати постійну температуру та вологість. Це навантаження на охолодження буде змінюватися протягом дня в залежності від кількох факторів, які можуть ускладнити підтримання необхідних умов у приміщенні.

Розрахункова кількість людей у будівлі

Потужність охолодження підтримується на постійному рівні комфорту для багатьох будівель, як правило, у відповідності до кількості мешканців у будівлі. Заповненість будівлі (кількість людей, які знаходяться в будівлі) та дії мешканців (те, як люди поводяться у помешкані) призводять до приросту та втрат тепла.

Суттєві зміни у заповненні та діях мешканців чи візитерів – наприклад, ресторан чи бар буде відчувати більш значний приріст тепла у години для обіду чи вечері, коли більше гостей займає зали ніж протягом робочого часу. Аналогічно, тренажерний зал матиме значно вище навантаження на охолодження, коли він переповнений людьми, які тренуються.

Регулювання термостата співробітниками – під час спроби керувати комфортом, співробітники інколи вмикають термостат на свій розсуд, що врешті решт призводить до втрати енергії та виникнення проблем з охолодженням, якщо це не перевіряти й вчасно не контролювати.

Несподівані зміни у використанні будівель

Наразі це було дуже помітно на ранніх етапах пандемії Covid-19, коли комерційні будівлі раптово взагалі перестали працювати або суттєво скоротилося повноцінне використання цих будівель. Власники будівель та керівники об’єктів випробовували коригування своїх установок HVAC та графіків їх роботи зі стандартних енергозберігаючих режимів до режимів «не зайнято» або інших гнучких «профілів попиту», щоб мінімізувати споживання енергії та витрати у відповідь на нову реальність щодо завантаженості об’єктів. Подібні традиційні підходи до керування HVAC можуть бути далеко не оптимальними щодо ефективності конкретної установки, вимагаючи значних ручних зусиль для переналаштування обладнання, цим самим погіршуючи комфорт для людей. Пандемія навчила нас адаптивності, що стало ключовою здібністю в ситуації постійних змін, які безумовно впливали на розвиток бізнесу, чи у ситуації перебування мешканців в житлових будівлях, які працюють віддалено.

Теплове навантаження протягом 12-годинного періоду

Ефективні рівні навантаження можна підтримувати легше, якщо визначені та підтримуються ймовірні закономірності. Коливання заповненості (див. рис. 1) вимагають автоматичного реагування в режимі реального часу; в іншому випадку ймовірні перевитрати коштів на енергію.

Рис. 1. Типове теплове навантаження офісного приміщення за 12 годин (з 8-00 ранку до 8-00 вечора)

Зовнішня температура та тенденції клімату

Зовнішня температура суттєво впливає на приховане навантаження на охолодження будівлі та потреби в енергії. У літні місяці пік охолодження припадає на другу половину дня, коли температура досягає найвищих значень. Протягом цього часу енергокомпанії встановлюють найвищі тарифи на годину вперед, оскільки влітку саме в ці години є найбільший попит на енергію.

Щоб уникнути цих витрат, систему HVAC необхідно вмикати, маючи певну стратегію. Охолодження будівлі на початку дня або поступове вмикання окремих блоків та поступове додавання потужності дахової установки HVAC можуть допомогти.

У травні 2021 року Національне управління океанічних та атмосферних досліджень (NOAA) опублікувало оновлений набір середніх кліматичних показників для США на основі 30-річних середніх показників ключових кліматичних спостережень, зроблених між 1991 та 2020 роками (див. рис. 2). Дані показують продовження тенденція до потепління клімату, коли середня температура літніх максимумів за 30 років у 48 штатах піднялася до рекордно високого рівня (майже на 12°С). З 1901 року, коли вперше були зафіксовані синоптичні дані щодо кліматичних норм, середньорічні температури у США підвищилися майже на 1°С, що дуже близько до даних щодо глобального потепління за той самий період.

Рис. 2. Діаграма зростання середньорічних температур у США у порівнянні із ХХ сторіччям.
Джерело: NOAA Climate.gov3

Міські теплові острови являють собою ще один температурний виклик для власників будівель та операторів об’єктів. Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) визнає розповсюдженість ефекту теплового острова. Цей ефект відбувається тоді, коли тісно побудовані споруди, дороги та інша інфраструктура в мегаполісах поглинають сонячне тепло більше, ніж звичайне природне середовище та ландшафти. У міських теплових островах зазвичай не вистачає зелених насаджень, тіні та провітрювання міжбудинкових проміжків, тому це створює осередки тепла. При цьому денна температура в середмісті в середньому на 0,5–15°С вища, ніж на околицях.

4. Будівлі поділяються на різні зони, які будуються та використовуються по-різному

Коли ви чуєте слово «зонування», то йдеться про те, що будівля розділена на окремі зони, кожна з яких побудована або використовується по-різному та має свої вимоги щодо охолодження. Системи HVAC повинні компенсувати низку різних, інколи суперечливих, охолоджуючих навантажень, що обслуговують окремі зони всередині будівлі. Нижче наведено кілька прикладів змінного зонування для потреб комерційних об’єктів:

• Кафетерій або кухонні зони з обладнанням, що виробляє тепло.
• Відокремлюйте входи та тамбури там, де двері часто відкриваються та закриваються.
• Мікроклімат, наприклад, у серверних чи у складських приміщеннях для фармацевтичних препаратів, має завжди залишатися прохолодним.
• Зовнішні приміщення, що виходять на захід, найбільше потерпають від щоденних змін теплового навантаження через потрапляння сонячного світла після полудня.

5. Будинки мають свої унікальні характеристики та конструкції

Будівлі мають унікальні набори змінних даних та вимог, проте статичні методи керування HVAC аж ніяк не є ідеальними. Необхідно враховувати архітектурний профіль будівлі, де такі особливості, як високі стелі, можуть аж надто перенапружувати найкращу систему HVAC та створювати об’єктивні проблеми для підтримки комфортного середовища.

Теплова оболонка будівлі або поділ між кондиціонованим внутрішнім та не кондиціонованим зовнішнім простором впливає на загальну ефективність охолодження. Добре теплоізольовані огороджувальні конструкції будівель зменшують потрапляння зовнішнього тепла, знижуючи рахунки за електроенергію та мінімізуючи загальне навантаження на кондиціонери. Установка енергоефективних вікон та дверей, затінювання та сонцезахисне засклення вікон, належна теплова ізоляція стін та покриття даху є ефективними способами покращити теплові характеристики оболонки будівлі.

Адаптивне керування HVAC на основі штучного інтелекту

Теплові процеси, що відбуваються за добу у окремих приміщеннях та загалом у будівлі, відбуваються з різною швидкістю та циклічністю. Величезну кількість факторів впливу на оптимальність роботи HVAC може обрахувати тільки комп’ютерна система. Адаптивним, а відтак – енергозберігаючим, керування може стати тільки за умови наявності модулів, що динамічно й автономно прогнозуватимуть зміну теплового стану. Це стосується зміни погоди назовні, а також різнофакторних змін всередині кожного з приміщень.

Сучасні технології, базовані на штучному інтелекті (АІ), допомагають спростити охолодження будівлі, одночасно знижуючи витрати електроенергії на 10-20%, рівень її споживання та викиди вуглекислого газу типовими клієнтами, пов’язаними з системою HVAC (рис. 3).

Рис. 3. АІ-система для керування HVAC

Новітні тенденції в цьому питанні – спільне абонентське користування хмарними обчислювальними потужностями. На Заході вже існують компанії, які пропонують доволі недорогі, а подеколи безкоштовні послуги в цій царині.

Як це працює?

Уявіть собі АІ-систему, яка динамічно синхронізує рішення щодо керування дахової HVAC-установки, дозволяючи їй працювати найефективніше, реагуючи в режимі реального часу на зміни умов, таких як рівень заповнюваності будівлі та зовнішньої температури і вологості. Обчислювальна АІ-технологія створює динамічні моделі для профілю теплового навантаження кожної будівлі та продуктивності централізованої системи охолодження повітря. Завдяки їй дахові блоки стають частиною системи із замкнутим інформаційним циклом на основі даних, отриманих за технологією «Інтернету речей» (IoT), яка координує їхню діяльність та більш логічно розподіляє споживання енергії між окремими елементами системи HVAC. Рішення для всього підприємства не вимагає взаємодії з людиною для підтримки або моніторингу його дій.

АІ-система допомагає досягти багатьох інших пов’язаних цілей:

• Зменшити витрати на електроенергію, зберігаючи при цьому стабільний комфорт згідно з вимогами клієнта, включно із спеціальним мікрокліматом у критичних локальних зонах будівлі.
• Забезпечити віддачу від 2 до 5 разів від плати за користування програмними засобами майже відразу після розгортання АІ-системи, веб-платформи звітності та аналітики, забезпечити користувачам інтуїтивне розуміння енергоефективності та енергозбереження від роботи з АІ-платформою.
• Формувати звіти про стан та оперативну звітність й аналітику роботи блоків HVAC, обраховуючи фактичну потребу у технічному обслуговуванні, а також поступовий перехід на реальний попереджувальний режим ремонтно-сервісних робіт.
• Збирати дані, тим самим надалі забезпечувати можливість самонавчання для штучного інтелекту, щоб ефективно, динамічно та дистанційно реагувати на зміни у споживанні енергії та зміни «профілів попиту», включаючи прогнозування пікових стрибків попиту.
• Підтримувати цілі сталого розвитку та загальної екологічності, зменшуючи викиди парникових газів за допомогою підвищення енергоефективності та безаварійності роботи обладнання.
• Мінімізувати ризик передчасного використання експлуатаційного ресурсу техніки.
• Автономність роботи АІ-системи звільняє інженерно-технічні сервісні та диспетчерські команди і дозволяє їм з поточного управління об’єктами зосередитися на видах діяльності з високою доданою вартістю.

Два підходи до системи керування будівлею

Привабливість АІ-систем полягає ще й в тому, що її можна інтегрувати з наявними системами автоматизації будівель (BAS) або сумісними «розумними» термостатами. АІ-системи насправді доповнюють діючі технології управління будівлею для досягнення ще більшої економії. Отже, можна обрати найвигідніший варіант для конкретних потреб та бюджету.

1) Інтеграція з BAS за допомогою АІ-систем.

Цей підхід дозволяє клієнтам інтегрувати програмне забезпечення АІ-модулів з наявними елементами керування будівлею, досягаючи нові показники енергозбереження системи HVAC.

2) Інтеграція з «розумними» термостатами за допомогою спеціальних АІ-модулів.

Можливості працювати з обмеженими даними на основі досвіду, отриманого штучним інтелектом при самонавчанні на подібних об’єктах, дозволяє іншим клієнтам інтегрувати програмне забезпечення АІ-модулів із сумісними «розумними» термостатами, що можуть працювати за технологією на основі IoT. Тим самим створюється віртуальна модель будівлі, точність якої коригується за даними статистики, отриманої по факту. Проте, саме це рішення дозволяє застосувати такі досконалі та складні стратегії керування HVAC, які притаманні лише більшим та дорожчим BAS.

Незалежно від того, чи хоче користувач контролювати теплові навантаження, виявляти недостатньо ефективні установки HVAC, заощаджувати гроші на техобслуговуванні або збільшити ресурс кліматичної техніки, АІ може допомогти в цьому. Рівень застосування АІ-технологій для оптимізації керування системами HVAC з охолодження будівель у Північній Америці, наприклад, вже перевищив декілька десятків тисяч дахових установок на багаточисельній кількості об’єктів та оптимізацію сотень тисяч мегаватів енергетичного навантаження, одночасно забезпечуючи різке зниження витрат та споживання енергії на клімат-контроль.

Джерело: Encycle

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 3 253