Sada nástrojů pro technická opatření pro použití partnerstvím SPIN
Optimalizační parametry HVAC systémů
leden 2016
Autor: Reinhard Ungerböck Grazer Energieagentur GmbH Kaiserfeldgasse 13/1 A-8010 Graz T: +43 316 811848-17 E-Mail:
[email protected] Website: www.grazer-ea.at
Daniela Bachner e7 Energie Markt Analyse GmbH Walcherstraße 11/43 A-1020 Vienna T: +43 1 907 80 26 - 0
www.epcplus.org Tento dokument byl vytvořen v rámci projektu Energy Performance Contracting Plus (EPC+) a je dostupný na webu projektu. Tento projekt byl finančně podpořen v rámci programu Evropské Unie pro výzkum a inovace Horizont 2020, na základě grantové dohody č. 649666.
Obsah tohoto dokumentu zavazuje pouze jeho autory. Nemusí nutně odrážet stanovisko Evropské unie. Evropská komise ani agentura EASME nenesou odpovědnost za jakékoli případné využití zde obsažených informací.
2
Obsah
1.
Obecný popis a vysvětlení použití ............................................................................................................. 4
2.
Sada nástrojů ............................................................................................................................................. 5 2.1.
Optimalizační parametry HVAC systémů........................................................................................... 6
2.1.1.
Technický popis ......................................................................................................................... 6
2.1.2.
Metoda výpočtu ........................................................................................................................ 7
2.1.3.
Realizace průběhu procesu, včetně zajištění kvality opatření během a po realizaci .............. 10
2.1.4. Možnosti ohledně měření a verifikace, aby bylo možné zhodnotit výkon v souvislosti s jeho zaručením ................................................................................................................................................ 12
3
1. Obecný popis a vysvětlení použití Projekt EPC+ má za cíl standardizovat technická opatření, aby se tak stala předvídatelnými pro ostatní členy SPINu (včetně koordinátora SPINu), čímž dojde ke snížení transakčních nákladů. Tato sada nástrojů může sloužit jako průvodce pro poskytovatele služeb v rámci EPC+ v otázkách standardizace opatření (konstrukční parametry, metoda výpočtu, průběh procesu) a definování standardů kvality pro metodu M&V (Měření a verifikace). Zároveň může být tento text použit při komunikaci s klientem pro zvýšení důvěry v navrhovaná opatření. Každé opatření bude vysvětleno na obecné úrovni. Mimo to budou definovány konstrukční parametry a možnosti použití. Na konci je uveden rovněž výčet situací, ve kterých to které opatření nelze aplikovat. Metoda výpočtu V příslušných případech by měla být popsána obecná metoda pro výpočet náročnosti realizace, O&M a úspor, a to ideálně ve formě open-source výpočetní aplikace. V příslušných případech by měla být popsána obecná metoda pro výpočet náročnosti realizace, provozování a management (O&M) a úspor, a to ideálně ve formě open-source výpočetní aplikace. Průběh procesu Z důvodu množství aktérů a komunikačních kanálů by měl být diagram průběhu procesu povinně vytvořen ve formě tzv. návrhu služby (service blueprint).
4
2. Sada nástrojů Všechna opatření jsou popsána obecně i detailně. Opatření jsou kategorizována do úsporných opatření a do opatření využívajících obnovitelné zdroje. Úsporná opatření. 1. Vnitřní osvětlení: LED osvětlení + kontrolní systémy 2. Hydraulické nastavení topného systému 3. Modernizace čerpadel 4. Modernizace elektromotorů 5. Energeticky úsporná ventilace a/nebo chlazení 6. Kontrolní systémy vytápění/ventilace/klimatizace, včetně integrování bojlerů 7. Programátoři systémů řízení budov (tzv. Building Management System) dodavatelů - Siemens, Honeywell,... 8. Renovace/výměna bojlerů Opatření využívající obnovitelné zdroje energie: 1. Solární ohřev vody 2. Vytápění biomasou 3. Kogenerace 4. Solární panely 5. Větrná energie 6. Tepelná čerpadla
5
od různých
2.1.
Optimalizační parametry HVAC systémů
2.1.1. Technický popis 2.1.1.1.
Obecný popis
Pokud provozní parametry systémů HVAC v budovách nejsou nastaveny podle skutečné potřeby, může se roční spotřeba energie významně zvýšit. Nevhodné nastavení HVAC systémů mívá několik důvodů, například nadhodnocení potřebné teploty místnosti, nevhodné možnosti regulace parametrů pro uživatele budovy, nedostatek znalostí o provozu systému nebo nesprávné naprogramování přímých digitálních kontrolních systémů. Naopak kontrola a optimalizace regulačních parametrů HVAC systémů, jako jsou teplota v místnosti nebo doba provozu, v souladu se skutečnými potřebami, přináší účinné opatření na zvýšení energetické efektivity. Pokud je doba chlazení a vytápění v budově nastavena pevně, možnost zavedení regulačního systému založeného na měření okolní teploty může vést k dalším energetickým úsporám. Navíc je možno pro ventilační systémy zvážit zavedení nebo změnu systému pro regeneraci tepla. Mimo dosažitelných úspor vzhledem k snížení spotřeby energie se zvyšuje i komfort uživatelů budovy. Například rychlý konec topné sezóny nebo příliš vysoká cílová teplota pro vytápění mohou způsobit přetápění budovy za teplých jarních dnů. Tomu se dá předejít správnou regulací provozních parametrů. Podle toho, jaký ze HVAC systémů je použit, lze snížit poptávku po energetických komoditách (ropné produkty, plyn, dřevo, elektrická energie apod.). V případě budování systému managementu pro budovy mohou být organizační opatření snadno realizována a kategorizována jako nízkonákladová.
2.1.1.2.
Designové parametry
Které parametry je třeba zkoumat pro správné navržení opatření? Technické parametry současného vybavení Začátek a konec období vytápění/chlazení Profil skutečných potřeb: cílové parametry komfortu včetně cílové teploty pro systém vytápění/chlazení, tempo výměny vzduchu, vlhkost vzduchu Míra užívání Kontrolní mód ventilátorů Objemový průtok / pracovní tlak Jsou užívány systémy regenerace tepla? Kvalita obálky budovy a její vliv na teplotu v místnosti Možnosti uživatelů budovy ovlivnit provoz systémů Provozní parametry Topný profil (denní, týdenní, roční) Profil chlazení (denní, týdenní, roční) Možnosti uživatelů ovlivnit profily topení / chlazení 6
Provozní doba HVAC systémů Jsou současná měřidla potřebná, a pokud ano, tak která? Pro výpočet dosažitelných úspor je záhodno měřit a počítat s vlivem: Okolní teploty Spotřeby elektrické energie HVAC systémů Spotřeby energie boileru v navrhovaném bodu provozu systému V případě provozních změn v době trvání smlouvy by měření mělo být opakováno
2.1.1.3.
Opatření vhodná pro
Typické okolní podmínky pro tato opatření:
Budovy bez technika správy budov, který by měl na starosti kontrolu parametrů HVAC Budovy, jejichž uživatelé zažívají snížený komfort v důsledku nesprávného nastavení teplot v místnostech
2.1.1.4.
Opatření nevhodná pro
Pokud první kontakt s klientem ukáže, že správce budov se řádně soustředí na provoz budov V případě, že za služby související s provozem budov je zodpovědný profesionální dodavatel Budovy, kde jsou provozní parametry nastaveny podle skutečné potřeby. Toto lze zjistit v rámci energetického auditu.
2.1.2. Metoda výpočtu 2.1.2.1.
Očekávané úspory
Je poskytnut excelový nástroj pro výpočet očekávaných úspor opatření dopadajících na topení a chlazení. Umožňuje výpočet standardizovaných energetických úspor navrhovaného opatření v KWh a procentech referenční spotřeby srovnáním současných nastavení s navrhovanými změnami v nastavení HVAC systémů. Buňky v excelovém nástroji, které jsou zvýrazněny zeleně, představují vstupy. Levý sloupec vyžaduje současné parametry, zatímco do pravého sloupce se vkládají změněné parametry po realizaci zamýšlených opatření. Výpočet vyžaduje průměrnou měsíční okolní teplotu v referenčním roce, stejně jako průměrnou měsíční okolní teplotu v roce testování (test reference year = TRY). Je důležité mít spolehlivá data o energetické spotřebě HVAC systémů, stejně jako skutečnou teplotu a požadavky na komfort v budově. Referenční spotřeba: Referenční spotřeba může být odhadnuta za použití dat o roční spotřebě energie normalizovaných za použití odpovídajícího počtu tzv. degree-days a vhodného lokálního klimatického profilu. Degree-days mohou být počítány buď na měsíční bázi, nebo i na denní, pokud jsou dostupná vhodná data. 7
Degree days u vytápění (HDD):
T1……….teplota cílové místnosti T2………. Okolní teplota, představující hranici, při níž se spustí vytápěcí system dn……….početní dní v měsíci s nižší průměrnou okolní teplotou, než je hodnota T2 Θb………. průměrná okolní teplota v měsíci Degree days u chlazení (CDD):
T1……….teplota cílové místnosti T2………. Okolní teplota, představující hranici, při níž se spustí chladící system dn……….početní dní v měsíci s nižší průměrnou okolní teplotou, než je hodnota T2 Θb………. průměrná okolní teplota v měsíci Poznámka: Pokud jsou k dispozici denní data o spotřebované energii, okolní teplotě a dalších možných určujících faktorech, může být referenční spotřeba alternativně odhadnuta použitím nástroje regresní analýzy. Odhad dosažitelných úspor Odhad dopadů změn provozních parametrů systémů vytápění a chlazení na spotřebu energie lze provést pomocí srovnání počtu degree-days pro vytápění i chlazení za použití totožného klimatického profilu. Nejprve je spočítán počet degree-days pro referenční situaci a poté je zhodnocen počet degree-days s pomocí nových provozních parametrů. Poměr těchto dvou odpovídajících hodnot může být použit k odhadu dosažitelných úspor.
QS……….očekávané množství úspor energie na vytápění [%] HDDb…. degree-days pro vytápění (referenční situace) HDDm…. degree-days pro vytápění po realizaci opatření
QS………. očekávané množství úspor energie na chlazení [%] CDDb…. degree-days pro chlazení(referenční situace) 8
CDDm…. degree-days pro chlazení po realizaci opatření Množství ušetřené energie na vytápění / chlazení používáním systému na regeneraci tepla může být odhadováno pomocí koeficientu energetické návratnosti. Navíc úspory elektrické energie přináší také snížení doby provozu HVAC systému. Množství ušetřených kWh může být lehce spočítáno následujícím způsobem:
ES……….množství ušetřené energie [kWh] Pin………výkon přívodního ventilátoru [kW] Pout…….výkon odvodního ventilátoru [kW] tb……….referenční počet provozních hodin systému [h] tm……….počet provozních hodin systému po realizaci opatření [h] Počet provozních hodin oběhových čerpadel může být snížen do stejné míry, jako odpovídajícího HVAC systému. K odhadu množství ušetřené energie [kWh] se množství ušetřených hodin [h] provozu vynásobí výkonem čerpadel [kW].
2.1.2.2.
Materiál: o Zařízení pro měření okolní teploty a elektrické energie (pokud je třeba) o Systém regenerace tepla (pokud je třeba) Práce: o vyhodnocení a kontrola současných provozních parametrů a doby provozu o vyhodnocení skutečných požadavků na teplotu místnosti a tempa výměny vzduchu o nastavení kontrolních parametrů o instalace měřicího vybavení (pokud je třeba)
2.1.2.3.
Investiční náklady
Provozní náklady
Pravidelné kontroly a hlášení ohledně kontrolních parametrů Kontroly kvality parametrů komfortu a výkonu bezprostředně po realizaci Pravidelné kontroly výkonu a provozní záruka Náklady na měření, pokud se objeví změny v provozu
2.1.2.4.
Očekávaná životnost opatření a následné náklady na výměnu (pokud vzniknou)
Opatření má být účinné bez dalších investičních nákladů po dobu, dokud budou probíhat pravidelné kontroly kvality. Doba životnosti opatření tedy přesahuje dobu návratnosti.
9
Komponenty jako digitální jednotky přímé kontroly nebo systémy regenerace tepla jsou pravidelně vyměňovány. Očekávaná životnost digitálních kontrolních jednotek je 15 let. Doba životnosti systém regenerace tepla je 15 let pro rotační výměníky tepla a 20 let pro ostatní typy.
2.1.2.5.
Analýza diskontovaných peněžních toků a čistá současná hodnota
Jelikož zmiňovaná opatření vyžadují pouze malé investice, doba jejich návratnosti může být taktéž krátká. Pro rozpracování analýzy diskontovaných peněžních toků, odpisové míry a čisté současné hodnoty investice lze použít nástroj vytvořený v rámci projektu, který je dostupný na stránkách Evropské balíku sady nástrojů www.epcplus.org/energy-service-packages/. Vstupní parametry jsou spočítané úspory energie (viz kapitola 2.1.2.1.), energetický tarif, počáteční investice a provozní náklady (viz kapitoly 2.1.2.2. a 2.1.2.3.) spolu s dalšími ekonomickými parametry.
2.1.3. Realizace průběhu procesu, včetně zajištění kvality opatření během a po realizaci Proces realizace opatření začíná vyhodnocením současných provozních parametrů systémů vytápění / chlazení SPINem. Komunikací s uživateli budovy a místními techniky je vyhodnocena skutečná potřeba teploty v místnostech, a pokud je třeba, jsou nastaveny potřené parametry. Je vhodné stanovit testovací dobu pro nová nastavení a získat zpětnou vazbu od uživatelů budovy, aby v případě potřeby bylo možno parametry nastavit znovu a jinak. Po dosažení uspokojivých výsledků může začít stanovený proces zajištění kvality, který zahrnuje např. roční kontroly provozních parametrů HVAC systému.
10
11
2.1.4. Možnosti ohledně měření a verifikace, aby bylo možné zhodnotit výkon v souvislosti s jeho zaručením1 Poznámka: Je zásadní vyjasnit a potvrdit skutečnou potřebu parametrů komfortu (teplota vzduchu v interiéru, vlhkost vzduchu, výměna vzduchu, doba provozu) a referenční hranice u používaných dat ve fázi extenzivního energetického auditu. Před uzavřením smlouvy je třeba tyto záležitosti důkladně projednat s klientem. Pro potřeby smlouvy lze použít standardní formulaci pro definici cílových parametrů komfortu. Je důležité shromáždit a zaznamenat relevantní provozní údaje pro referenční časové období. Tato data musí být dostupná během celé doby trvání smlouvy. Z toho důvodu je ustanoven tzv. M&V plán (M&V = measurement and verification = měření a verifikace). Tento plán poskytuje detailní informace o instalaci a kalibraci potřebných měřicích zařízení. Po realizaci energeticky efektivních opatření je provedena kontrola funkčnosti. Celý plán končí zprávou o úsporách energie a nákladů. Následující aspekty musí být spolu s klientem dohodnuty a definovány:
Metoda a úroveň detailnosti pro ověřování úspor energie (např. systémově specifické ověřování) Různé faktory vlivů (intenzita užívání vzhledem k nárokům na prostor čí míra užívání, počasí, změny v potřebách apod.) Rozpětí zanedbatelnosti změn (např. ± 5% změny ve výše zmíněných faktorech) Je třeba dopředu vyjasnit, kdo má na starosti přijímání provozních parametrů (správce budov, SPIN partner apod.) Všechny změny v kontrolních parametrech musí být zaznamenány elektronicky.
Možnost B podle Mezinárodního protokolu k měření a ověřování úspor energie (IPMVP) by měla být použita pro výpočet energetických úspor. Možnost B uvádí, že všechny potřebné parametry musí být měřeny vizuálně. Systém HVAC jasně vymezuje hranice systému, proto není třeba dávat takový důraz na sledování nezávislých proměnných a neměnných faktorů. Pro ověření úspor by následující data měla být vyhodnocována nejméně jednou za čtvrtletí: Parametry komfortu, resp. vnitřní teplota vzduchu (např. měřena každých 15 minut) Elektrické spotřebiče a další spotřeba energie na vytápění, chlazení a pro ventilační systém (např. měřeno každých 15 minut nebo jednou za hodinu) Míra užívání budovy, změny v budově a přilehlém okolí (v případě události) Zaznamenané změny v kontrolních nastaveních HVAC Celková energetická spotřeba budovy: je doporučeno vykonávat kontrolu věrohodnosti dosažených úspor s použitím celkové energetické spotřeby budovy. Není možné vykonávat ověření úspor pouze na základě jejich výpočtu. Alternativní M&V přístup by vyžadoval profily spotřeby elektrické energie (load profiles) celé budovy. Pokud jsou dobře známy všechny externí parametry, které určují energetické nároky budovy, nebo jsou tyto parametry stabilní, může být koncept M&V zjednodušen za použití profilu spotřeby konkrétní budovy. Je
1
Kritéria: minimální usilí, přesto řádný kvalitativní důkaz pro řádnou realizaci zohledňující výkon, nikoli pouze instalaci
12
proto třeba ještě před realizací jednotlivých opatření definovat určitý časový úsek (např. dva měsíce nebo rok), ve kterém proběhne měření tohoto profilu spotřeby v potřebném rozlišení. V zemích jako je například Rakousko jsou profily spotřeby u tepla i energie zdarma poskytovány operátorem sítě každých 15 minut. V době měření profilu spotřeby je třeba také měřit všechny externí parametry, jako je teplota nebo hodiny, kdy je budova užívána. Po realizaci energeticky efektivního opatření je třeba profil spotřeby včetně všech externích parametrů změřit znovu po stejné časové období. Pro vyhodnocení dosažených úspor energie realizovaného opatření jsou externí parametry použity pro normalizaci měřených profilů spotřeby. Nicméně, s touto metodou je třeba nakládat opatrně a je doporučena pouze pro výjimečné případy.
13
