Енергийно ефективни климатични камери

Климатичните камери (Air-handling units, AHU) са ключов елемент от сградните ОВК системи в битови, търговски и промишлени приложения, а ефективната им работа е един от най-важните аспекти по отношение на рентабилната им експлоатация. Постигането на оптимална енергийна ефективност при оборудването от този тип е сериозно предизвикателство за мениджърите на сградния фонд и е въпрос на комплексна комбинация от адекватното му проектиране и оразмеряване и правилното му използване. Критериите за оценка на това колко енергийно ефективна е една климатична камера в практиката са свързани с детайлен анализ на широк набор от променливи, произтичащи от работата на отделните й конструктивни компоненти, въздухоразпределителната система и предпочитанията по посока качеството на микроклимата в сградата. Сред усложняващите задачата фактори е необходимостта камерите да работят в помещения с променлива заетост, при които броят на ползвателите варира в рамките на денонощието.

Основната функция на климатичните камери е доставката на т. нар. кондициониран (затоплен, охладен и с контролирана влажност) въздух до всички работни зони в съответната закрита жилищна, офисна, търговска, обществена или индустриална площ. Сред популярните приложения на тези инсталации са още хотели, учебни заведения, центрове за данни и др.

За обезпечаване на енергийно ефективната работа на системата е необходим внимателен подбор и оразмеряване на основните механични елементи – вентилатори, вентилационни отвори, шумозаглушители, устройства за гасене на вибрациите, филтри, охладителни и/или нагревателни компоненти, задвижващи механизми и т. н. Важни аспекти са и добрата термоизолация, както и регулярните инспекции на системата с цел навременно откриване и отстраняване на потенциални и съществуващи енергийни загуби.

Потребление на енергия и потенциални загуби

В зависимост от конкретния дизайн една ОВК система с климатични камери може да включва сбор от изброените по-горе базови механични компоненти, както и допълнителни елементи като блокове за управление, технологии за свързване със сградните платформи за автоматизация, измервателни уреди, сензори и други крайни устройства за осъществяване на мониторинг и получаване на обратна връзка за ефективността й на работа. Входната зона на климатичните камери обикновено е снабдена с възвратен контур за въздушния поток, по който той може да постъпи в системата за повторно кондициониране и смесване с външен въздух (рециркулация). В практиката се използват няколко основни типа камери по отношение на дизайна – с променлив въздушен обем, с двойна система въздухопроводи (за топлия и студен поток), многозонови инсталации, както и т. нар. "make-up" модели със 100% подаване на външен въздух, като първите са най-популярни.

През последните години са налице множество иновации и подобрения в дизайна на климатичните камери с променлив обем, съответните разпределителни и контролни системи. Те са насочени основно към оптимизиране на енергийната ефективност, температурния контрол, и прецизното управление на микроклимата в динамични експлоатационни сценарии с честа промяна на броя ползватели на помещенията в рамките на денонощието. За една офис сграда, която е типичен пример за такъв тип приложение, като ефективно решение по отношение на комфорта и икономическата рентабилност на климатичните камери се доказва свързването им към цялостните системи за сградна автоматизация. Често се прилага и регулярна инспекция с помощта на т. нар. дата логери или устройства за отчитане на енергийната ефективност на системата на място в точката на проверка.

Съображения относно дизайна

Основно предизвикателство във връзка с енергийната ефективност на една климатична камера е наличието на множество отделни механични компоненти и секции в конструкцията й, които предполагат риск от енергийни загуби при неправилно проектиране и оразмеряване. Цялостната ефективност на камерата се измерва на база количеството енергия, което е необходимо за задвижването и кондиционирането на даден обем въздух в системата. Популярна стратегия за повишаване на тази ефективност е редуциране на спаданията на налягането в инсталацията. Това може да бъде постигнато чрез намаляване на променлива, позната в англоезичната литература като "face velocity" или челна скорост на въздушния поток. За целта са необходими по-големи по диаметър и площ серпентини, филтърни елементи и корпуси за камерите, което като цяло повишава цената на системата в сравнение с базовата конфигурация. Дори малък ефект по отношение редуцирането на тази променлива обаче напълно компенсира по-високата първоначална инвестиция в рамките на жизнения цикъл на системата.

Експертите препоръчват да се вземе предвид и съпротивлението на въздушния поток с променлив обем, което възниква вследствие на преминаването му през филтрите. То може да бъде лесно и ефективно коригирано с честотни задвижвания за вентилаторите, които обезпечават адекватната работа на системата при променливо натоварване и обикновено се изплащат за две до пет години след въвеждане в експлоатация в зависимост от капацитета на инсталацията.

Друга популярна стратегия за повишаване енергийната ефективност на климатичните камери е добавянето на байпасни демпфери, които се грижат за това да намаляват т. нар. паразитни загуби на енергия от системните компоненти, които се използват само през определен период от годината и иначе биха работили напразно.

Системни ефекти

Вентилаторите са основният елемент на една ОВК система. Неподходящият им дизайн или инсталация може да доведе до значително влошаване на работата на системата в дългосрочен план вследствие на т. нар. "системни ефекти". Това са явления, които пораждат промени в аеродинамиката на вентилатора и напълно различна от заложената експлоатационна крива. Те възникват, когато смукателните и изпускателните отвори на вентилаторите създават неравномерен въздушен поток и завихряне или турбуленция. Проектантите на въздухоразпределителни системи за климатични камери е добре да вземат предвид всички специфики на дизайна на компонентите, за да избегнат този ефект и да осигурят равномерност на въздушния поток в смукателния и изпускателния отвор.

Практическа "уловка" при системните ефекти е, че те не се проявяват отчетливо и не се измерват при въвеждането на инсталацията в експлоатация, а се регистрират чак когато е налице проблем с недостатъчна доставка на въздух в помещенията. Тогава обикновено се налага ускоряване на вентилатора и дори увеличаване размера на задвижващия мотор, за да се постигнат заложените стойности на дебита на въздушния поток. За да се избегне подобен етап на препроектиране на системата, системните ефекти трябва да бъдат взети предвид още на фаза дизайн.

Ефективни вентилаторни елементи

Ефективността на вентилаторите в климатичните камери зависи от различни фактори, включително типа на компонента, задвижващия механизъм, ефективността на мотора, както и изискванията по отношение на шума. Коефициентът на ефективност на центробежните вентилатори например варира между 50 и 70% в зависимост от конфигурацията на лопатките, докато при аксиалните цилиндрични модели тя е от порядъка на 80 до над 90%. Важно е да се отчете обаче, че всички вентилаторни елементи генерират отпадна топлина при работа, която се предава към въздушния поток. Друг типичен проблем е, че реалната ефективност на вентилатора често се разминава с номиналната, заложена от производителя, с 10 до 30%.

От ключово значение е задвижващият механизъм. Вентилаторите с мотори с директно задвижване се доказват с висока ефективност, достигаща оптималната. Стандартните модели с клиноремъчни предавки (т. нар. "V-belt drives") се характеризират с около 90% ефективност, която обаче традиционно спада с времето. Синхронните системи постигат до около 95-96% ефективност в рамките на жизнения цикъл на задвижването.

Усъвършенстваните модели двигатели с ефективност над 94-95% при пълно натоварване в зависимост от мощността са предпочитани с цел оптималната работа на климатичната камера. В системите с променлив обем е добре да се предвидят честотни регулатори, които да обезпечат променливото натоварване.

Що се отнася до устройствата за контрол на шума на вентилаторите, акустичните заглушители обикновено увеличават спадовете на налягането в климатичните камери. В някои приложения, които го позволяват – в зависимост от разположението на камерите в сградата, може да се направи съзнателен компромис с шума за сметка на енергийната ефективност, но като цяло се предпочитат модели, които не налагат инсталирането на заглушителни елементи, за да не се създават предпоставки за загуби на енергия.

Изпарително охлаждане и допълнителни специфики

Изпарителното охлаждане е алтернативна на конвенционалните компресорни системи. Налице са два основни типа изпарителни инсталации – директни и индиректни. Прилага се и комбиниране на двата подхода с цел осигуряване на ефективно охлаждане и овлажняване на въздуха чрез система, която използва енергия от компресорна ОВК инсталация. Възможно е постигането на икономии на над 15% от годишното енергийно потребление с едностепенна директна система за изпарително охлаждане и до 40% с двустепенна комбинирана система в сравнение с конвенционалните компресорни решения. Директното изпарително охлаждане с климатични кондензатори на конвенционален принцип (въздушно охлаждане) може да доведе до спад в потреблението на енергия и натоварването между 20 и 40% на годишна база.

Една двустепенна изпарителна система се състои от директен изпарителен охладител, монтиран след индиректен такъв. На практика двата охладителни блока могат да бъдат комбинирани по различен начин с цел постигане на оптимална енергийна ефективност.

Икономайзерите са предпочитано решение, когато е възможно смесването на изходящия въздушен поток от сградата с пресен въздух, тъй като могат значително да намалят потреблението както в режим на охлаждане, така и на отопление.