Priročniki Publikacije  

*Prirejeno po sestavku V ASHRAE Journal, januar 2015

 

 

Mitja Lenassi, univ.dipl.inž.str.
Predsednik UO MSS

 

 

 

Literatura o trajnostni gradnji, večinoma namenjena arhitektom, mnogokrat izpostavlja pomembnost “Pravilnega dimenzioniranja” inštalacijske opreme za ogrevanje in hlajenje, pri čemer opozarja svoje bralce, da naj bodo pozorni na pogosto predimenzionirano strojno opremo in sisteme, pri tem pa izrecno izpostavlja začetne investicijske in kasneje v obratovanju energijske prihranke, če le to “zlo” odkrijejo in popravijo. Predimenzioniranje se seveda lahko pojavi, zato je razumevanje dejanske negotovosti izračunavanja toplotnih obremenitev in projektiranje sistemov, ki lahko učinkovito in uspešno delujejo tako pri polni kot tudi pri delnih obremenitvah, pomaga tako inženirju kot lastniku stavbe izogniti se neprijetnosti poddimenzioniranega sistema.

 

Za pravilno metodo za dimenzioniranje opreme za klimatizacijo je dolgo veljala tista, ki sicer temelji na izračunu toplotnih obremenitev stavbe, vendar z uporabo velikodušno ocenjenih posameznih komponent in na koncu še z varnostnim dodatkom (na primer 15 %), da se nikakor ne bo moglo šteti, da je oprema poddimenzionirana. V današnji inženirski praksi, ko se s pomočjo računalniških orodij uporabljajo sofisticirane metode za izračun prenosa toplote iz in v stavbo, ki lahko zajamejo časovno razporeditev senčenja stavbe, temperaturne razlike preko dneva, urnike zasedenosti stavbe, se lahko toplotne obremenitve izračunajo na podlagi dejanske vršne vsote sovpadajočih komponent in ne vsote najvišjih vrednosti posameznih komponent.

Na splošno so tehnike izračunavanja toplotne obremenitve stavb danes zelo natančne, vendar se je z njimi povečal tudi pomen ocenjevanja parametrov posameznih komponent, ki niso vedno izrecno podani. Ti parametri vključujejo vrednosti obremenitev s strani uporabnika vgrajene opreme, gostote zasedenosti in urnike dejavnosti. V obstoječih stavbah lahko ti parametri vključujejo tudi U-vrednosti stavbnega ovoja in sistemov razsvetljave. Nekateri parametri so vnaprej določeni s strani tretjih oseb, povzeti iz tržnih raziskav ali fizičnih ocen, medtem ko drugi izhajajo iz izkušenj inženirja ali lastnika. Nepremičninski posredniki včasih zahtevajo, da morajo biti prostori za najemnike s poslovno dejavnostjo sposobni zagotavljati električno moč in posledično pokrivati hlajenje do 50 W/m² nameščene najemnikove opreme. Redko, če sploh kdaj, je takšna intenzivnost opreme potrebna, razen morda v prostorih s trgovsko dejavnostjo. Povprečna dokumentirana vrednost za opremo v pisarniških prostorih znaša manj kot 12 W/m², dvojna vrednost za manjše sobe s strežniki ali drugo IT opremo. Toplotne obremenitve te vrste je mogoče opredeliti zgolj kot programske in ne inženirske predpostavke, zato inženir ne more nositi celotnega tveganja za njihovo precenjevanje ali podcenjevanje. Vključitev preveč robustnih in nerealnih programskih predpostavk pa omogoča inženirju sorazmerno zmanjšanje sicer za izračun pomembnih multiplikatorjev “strateških dejavnikov”, predstavljenih v nadaljevanju.

 

Pomemben del postopka izračuna toplotnih obremenitev predstavlja določitev “strateških dejavnikov”, ki so naslednji:

 

• Zahteve bistvenega pomena (Critical service requirements);
• Varnostni dejavniki (Safety factors);
• Predpostavke raznolikosti (Diversity assumptions);
• Dejavnik podvajanja (Redundancy factor).

 

 

Prvi strateški dejavnik, zahteve bistvenega pomena, se nanaša na izbiro okoljskih meril za načrtovanje, ki predstavljajo vhodni podatek izračunu obremenitev. Vključujejo tako pogoje zunanjega in notranjega okolja, količine zunanjega zraka in še druge spremenljivke. Na primer, čeprav je lahko običajna praksa, da se za večino stavb uporabi pri izračunu hladilne obremenitve projektna vrednost 2,0 % letne kumulativne pogostosti nastopanja suhega termometra (pogoji vročine), je za stavbe, v katerih je stalno vzdrževanje notranjih pogojev obvezno, primernejša uporaba vrednosti 0,4 %. Podobno, čeprav je za stanovanjske stavbe projektna notranja temperatura suhega termometra 21 °C povsem primerna, je temperatura 24 °C za oskrbovana stanovanja ostarelih primernejša. Zahteve bistvenega pomena imajo lahko pomemben vpliv na ogrevalno in hladilno obremenitev in jih je zato potrebno obravnavati pri izračunu posebej, ne pa kar samovoljno povečati ogrevalno oziroma hladilno sposobnost naprav.

Drugi strateški dejavnik, varnostni dejavnik, je pogosto zlorabljen pojem, ki napihuje pridobljeno vrednost toplotnih obremenitev, potem ko so bile opravljeni že vsi izračuni. Namesto tega je primerneje varnostne faktorje uporabiti pri opisnih parametrih, za katere obstaja določena negotovost. Na primer U-vrednost zidu obstoječe stavbe. Analiza lahko razkrije mogoč razpon U-vrednosti določene stene, odvisne od uporabljenega materiala, natančne debeline in kakovosti gradnje. Pri izračunu toplotne obremenitve je potrebno navesti odločitev o privzeti pričakovani “najslabši” U-vrednosti določene konstrukcije. Varnostni dejavniki se lahko uporabijo tudi pri oceni parametrov za uporabo v prihodnosti in drugačno obratovanje od začetnega. Lahko se uporablja tudi pri predpostavkah raznolikosti opisanih spodaj.

Kot splošno pravilo velja, da je potrebno varnostne dejavnike uporabljati neposredno in samo za tiste parametre, za katere je inženir negotov glede njihove dejanske vrednosti. Ne smejo se uporabljati pri rezultatih izračunov, kjer so ti negotovi parametri uporabljeni, saj posledično multiplikativno povečajo celotno izračunano obremenitev, tudi vrednosti tistih parametrov v katere točnost ima inženir visoko stopnjo zaupanja. Varnostni dejavniki se prav tako ne smejo uporabljati zaporedno, saj bi tako še povečevali že uporabljene varnostne dejavnike. Uporaba varnostnih dejavnikov na koncu izračuna povzroči povečano centralno inštalacijsko opremo (npr. hladilnike tekočin, kotle), ne pa nujno tudi sposobnost dobave energije do končnih porabnikov. Varnostni dejavniki, bolje jih je imenovati “dejavniki negotovosti”, morajo biti usmerjeni v zmanjševanje tveganja zaradi negotovosti v računske vrednosti posameznih parametrov.

Tretji strateški dejavnik, predpostavke raznolikosti, predstavlja večjo težavo, saj vključuje tako prostorske in časovne vidike raznolikosti. Ti na splošno zmanjšajo jakost toplotnih obremenitev, saj omejijo njihovo trajanje na določen čas delovanja stavbe. Na primer v gledališču, dvorana in predprostor imata lahko neko določeno največjo zasedenost z obiskovalci, vendar zagotovo ne obe največjo hkrati. Podobno imajo lahko nekateri deli poslovne stavbe gostoto opreme preko 35 W/m², vendar celotna stavba gotovo ne.

Določanje teh dejavnikov raznolikosti je naloga, v katero morajo biti vključeni arhitekt, inženir in lastnik, da bi se izognili morebitnemu kasnejšemu nestrinjanju. Dejavniki raznolikosti so neodvisni od urnikov uporabe, vendar je potrebno urnike upoštevati, da se zagotovi čim bolj ustrezna stopnja nihanj (še posebej kadar se izračun izvaja na podlagi urnika, kjer se podajajo obremenitve posameznih komponent v odstotkih). Medtem ko dogovorjeni urniki zajamejo znano časovno spremembo obremenitvenih komponent, dejavniki raznolikosti zajamejo negotov del spreminjanja teh komponent. Predpostavke raznolikosti je potrebno, podobno kot tudi varnostne dejavnike, uporabljati pri tistih parametrih, kjer raznolikost dejansko nastopa, ne na vrednostih, ki izhajajo iz nadalje izvedenih izračunov.

Dejavniki raznolikosti se lahko uporabijo tudi v sosledju z delom površine stavbe tako, da se ta, za katerega se dejavnik uporabi, poveča, ker postane verjetnost delovanja ostalih oskrbovanih delov stavbe z vršno obremenitvi manjša, če se posamezno območje s povečano obremenitvijo veča. Z vidika sistemov, lahko ta pristop pomeni, da se dejavnik raznolikosti ne uporabi pri izračunu toplotnih obremenitev s strani opreme na električnih vtičnicah in posledično dimenzioniranju končnih elementov sistema hlajenja, medtem ko se uporabi zmeren dejavnik raznolikosti (90 %) pri dimenzioniranju glavnega kanalskega razvoda, 70 % dejavnik raznolikost pri dimenzioniranju centralne prezračevalno-klimatske naprave in 50 % dejavnik pri dimenzioniranju centralnega hladilnika tekočin.

Četrti strateški dejavnik, dejavnik podvajanja, odraža potrebo po povečavi sestavnih delov ali sistemov za razvod, da lahko zagotovi nadaljnje delovanje med načrtovanim ali nenačrtovanim izpadom enega sestavnega dela. Običajna uporaba dejavnik podvajanja predstavlja načrt z dvema kotloma, pri čemer ima vsak toplotno moč 75 % izračunane obremenitve. Tudi če eden od kotlov izpade, bo stavba zagotavljala udobje preko večjega dela vremenskih pogojev in vsaj minimalno bivanje tudi v najbolj izjemnih vremenskih pogojih. Dejavniki podvajanja skoraj vedno vključujejo izpolnjevanje zahtev po zmogljivost z več kot enim kosom opreme. Če se zahteva bo zagotavljanju toplotne moči doseže z velikim številom enot, kot je to pogost primer modularne kotlovnice, se lahko zahteva preudarno izpolni brez nepotrebne povečave toplotne moči in negativnega vpliva na učinkovitost delovanja. Nasprotno, doseganje zahtevane toplotne moči z več manjšimi enotami lahko celo poveča učinkovitost pri obratovanju pri delnih obremenitvah. Pri tem velja poudariti, da se mora dejavnik podvajanja določiti v dogovoru znotraj celotne projektne skupine, vključno z lastnikom.

Razširjena je miselnost, da ima predimenzioniranje za posledico znatno znižanje energetske učinkovitosti, kar dokazano vedno ne drži. Preveliki kanali in cevovodi imajo za posledico bistveno zmanjšanje padca tlaka pri delnih obremenitvah, kar se odraža v manjši porabljeni energiji za prenos medija. Ključno je, da je zagotovljeno, da lahko sistemi učinkovito in uspešno delujejo tudi pri delni zmogljivosti ob pričakovanih minimalnih obremenitvah. Sestavni del tega pristopa predstavlja ocena minimalne obremenitve pri kateri se lahko pričakuje delovanje posamezne komponente. Meje sposobnosti delovanja pri najmanjših obremenitvah komponent in distribucijskih sistemov morajo biti preverjene, in če je potrebno, vnesene v načrt spremembe tehničnih rešitev, ki to omogočajo. V nadaljevanju so prikazane nekateri splošni pristopi, ki gredo v tej smeri.

 

• Prvi pristop za uspešno delovanje komponent pri delnih obremenitvah je običajno na voljo za večino danes načrtovanih sistemov, ki že vključuje uporabo frekvenčnega pretvornika (VFD). Najmanjša obremenitev komponent, ki uporabljajo VFD je veliko nižja od tiste, ki se dosegajo z drugimi načini. Najnižja hitrost za motorje predvidene za uporabo z VFD je vse do 10 %.
• Drugi pristop predstavlja zagotovitev zmogljivost z več enotami namesto z eno samo. Ta možnost je že predstavljena pri obravnavi četrtega strateškega dejavnika, dejavnika podvajanja. Zahtevana zmogljivost se lahko doseže z enotami različnih velikosti na način, da bo najmanjša obremenitev sistema dosežena z delovanjem najmanjše od komponent.
• Tretji pristop je zagotovitev, da so tipala in krmilni elementi dovolj kakovostni in natančni za delovanje pri nizkih obremenitvah. Tudi zmerno predimenzioniranje od tlaka neodvisnega VAV regulatorja pretoka lahko povzroči podhladitev ali pregretje prostora, če so za merjenje pretočne vrednosti zraka uporabljeni pri nizki hitrosti zraka neučinkovite komponente, ali če so izbrani difuzorji pri majhnem pretoku zraka neučinkoviti, ali če ni na razpolago toplota za dogretje za prezračevanje potrebne minimalne količine zraka. Krmilni ventil je potrebno izbrati tako, da deluje ustrezno tudi na vnaprej opredeljenem najmanjšem pretoku. Če en sam ventil ne more pokriti celotnega območja zahtevanega pretoka, se lahko vgradita dva ventila različnih velikosti nameščena vzporedno in z vključevanjem v sosledju, ko se uporablja večji ventil za višje pretoke in manjši ventil za nižje pretoke pri delni obremenitvi.

 

Uporaba ustreznega krmiljenja lahko omogoči nekaterim hladno vodnim sistemom izkoriščanje toplotne kapacitivnosti razvodnega sistema za zadovoljitev zelo nizke hladilne obremenitve z v(iz)klapljanjem hladilnega kompresorja, obenem pa dosledno ohranjanje ustrezne temperature hlajene vode. Drugi sistemi morda zahtevajo več hladilnikov tekočin ali hladilnike s kompresorji s spreminjajočo izhodno močjo za izpolnjevanje zahteve hlajenja pri zelo nizkih obremenitvah. Sistemi v različnih projektih lahko zahtevajo različne pristope, načrt pa mora ugotoviti potrebe in omogočiti učinkovito in zanesljivo delovanje tudi pri delnih obremenitvah. Edini način, da se to zagotovi je, da se z uporabo enakih postopkov izdela izračun tudi najmanjših toplotnih obremenitev, in izberejo tehnične rešitve, ki takšno delovanje sistemu omogočajo.

Za zaključek, najbolj učinkovita obramba pred morebitnim očitkom o “nepravilnem dimenzioniranju” je podrobno premišljen izračun toplotnih obremenitev, prepoznava in zabeležba predpostavk in negotovosti, uporabljenih dejavnikov te negotovosti in raznolikosti, predpostavk in dejavnikov načina delovanja, dejavnikov podvajanja, vse skupaj pa vključuje pravilno aritmetiko, ki privede neposredno do potrebnih zmogljivosti posameznih komponent in sistemov. 

 

 

 

Vezano na prvi strateški dejavnik pri nenadziranem prehajanju toplote med prostori velja opozoriti na pravilo stroke SIST EN 12831: 2004 Grelni sistemi v stavbah - Metoda izračuna projektne toplotne obremenitve. Ta v točki 7.1.2 podaja metodo izračuna toplotnih potreb prostorov preko neogrevanih (sosednjih) prostorov in v točki 7.1.4 metodo izračuna izgub toplote med na različno temperaturo ogrevanimi prostori. Za slednjo ima nemška različica tudi nacionalni Dodatek 1, ki za izračun toplotnih potreb prostor(a)ov enega dela stavbe zahteva uporabo projektne temperature prostor(a)ov v drugem delu stavbe, kot to izhaja iz enačbe v tabeli 5.

Iz nje izhaja, da projektna temperatura sosednjega dela stavbe ni enaka tisti, ki izhaja iz njegove namembnosti, ampak je projektant pri določitvi toplotnih potreb tega dela (prostora) stavbe dolžan upoštevati možnost, da sosednji del stavbe (prostor) ni ogrevan. To na način, da privzame pri izračunu toplotnih izgub povprečno vrednost, ki izhaja med notranjo temperaturo prostora in srednjo letno zunanjo temperaturo kraja. Za primer Ljubljane z letno srednjo temperaturo 11 °C in notranjo projektno temperaturo prvega prostora 20 °C to pomeni, da je računska temperatura sosednjega dela stavbe enaka: (20+11) / 2 = 15,5 °C. In zakaj tako? Ker uporabnik prvega dela stavbe ne more vplivati na nadzirano ogrevanje drugega dela stavbe! In obratno, seveda. Se pa tako izračunan “dodatek” upošteva samo pri določitvi posameznih ogreval, ne pa tudi pri normiranih toplotnih potrebah stavbe kot celote!

Podobno zahtevo je imel tudi pri nas v preteklosti precej uporabljani DIN 4701-2 (1983), ki je za stanovanjske stavbe zahteval, da se pri izračunu toplotnih potreb prostora in določitvi njegovega ogrevala uporabi predpisana temperatura sosednjih prostorov 15 °C.