Branża HVAC a zmiany klimatu i postęp technologiczny

Eksperckim okiem

Anna Pawłowska-Kawa, Specjalistka z branży ekologicznych urządzeń grzewczych

Branża ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) wymaga dostosowania się do dynamicznie zmieniającej się rzeczywistości. Musi ona zacząć nadążać za zmianami klimatu, których nie udało nam się powstrzymać, jednocześnie będąc otwartą na możliwości jakie niesie rozwój inteligentnych systemów, włączając w to sztuczną inteligencję.

Zmiany klimatu dzieją się na naszych oczach, postępując szybciej niż zakładały szacunki naukowców. Odczuwalne są na całym świecie. Lodowce topnieją, powodując podnoszenie się poziomu mórz i oceanów. Wzrasta średnia temperatura dla całego globu. W Polsce wrzesień tego roku był najcieplejszym w historii pomiarów. Coraz częstsze są ekstremalne i gwałtowne zjawiska pogodowe, nowe regiony muszą borykać się z upałami i suszami, które do niedawna nie były dla nich charakterystyczne. Wpływa to negatywnie na zdrowie i życie, gospodarkę światową i zjawiska społeczne, w tym migracje ludności.

Wzrost średniej temperatury w Polsce najlepiej ukazują mapy przygotowane przez IMGW.

Również branża HVAC (ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji) odczuwa skutki zmian klimatu, szczególnie sektor grzewczy. Chociaż lepszym określeniem byłoby raczej sformułowanie, że za nimi nie nadąża. Na czym dokładnie polega problem? Okazuje się, że normy, na których bazują polscy projektanci systemów grzewczych pochodzą sprzed pół wieku. Zawarte w nich rozkłady temperatur projektowych służą do sporządzania charakterystyk energetycznych budynków, są podstawą obliczeń projektowych obciążenia cieplnego i świadectw energetycznych. Tyle, że przez 50 lat średnie temperatury w Polsce bardzo się zmieniły.

Aktualizacja norm

Co istotne, inne kraje europejskie m.in. Niemcy już kilkakrotnie dokonywały aktualizacji swoich temperatur projektowych. U nas mimo, że co jakiś czas eksperci zwracali uwagę na to zagadnienie, nikt nie zajął się tym na poważnie – aż do teraz. Dr inż. Piotr Narowski – naukowiec z Politechniki Warszawskiej opracował projekt zmian dotychczasowych temperatur obliczeniowych dla wszystkich stref klimatycznych Polski (Projekty SKP2000 i TLM2000). Pomysłodawcami, a zarazem sponsorami przedsięwzięcia były Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC), Stowarzyszenie Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych (SPIUG), oraz firma KAN sp. z o.o. – producent systemów instalacyjnych.

W ostatniej dekadzie średnia roczna temperatura obszarowa ukształtowała się na poziomie 9,1℃. W latach 1961-1990 wynosiła ona 7.5℃. Ostatnie lata to też kolejne rekordy średniorocznych temperatur. W 2000 r. było to 9,1℃, w 2014 r. 9.3℃, 9,5℃ w 2018 i aż 9,9℃ w 2019 r. Tutaj warto nadmienić, że w całym okresie pomiarów temperatury, średnia roczna niemal nigdy i nigdzie nie przekroczyła 10℃ i to mając na uwadze punktowe, lokalne wartości, a nie średnią obszarową. Porównanie danych temperaturowych z minionej dekady w wybranych lokalizacjach, z danymi w obowiązujących normach dla HVAC pozwala wyciągnąć jednoznaczne wnioski. Mamy nieaktualne temperatury projektowe, które są podstawowym parametrem niezbędnym do optymalnego zaprojektowania systemów grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Zmiany temperatur obliczeniowych dla miesięcy zimowych przedstawia tabela:

Uśredniając, wartość temperatury obliczeniowej dla systemów ogrzewania jest więc wyższa o około 27% w stosunku do temperatur z obowiązujących norm. Oznacza to, że moc urządzeń grzewczych może być obecnie zawyżona o około 13%! Wniosek nasuwa się sam – Warunki Techniczne oraz załącznik do normy PN-EN 12831 wymagają zredagowania i aktualizacji. W przypadku miesięcy letnich jest inaczej, różnice między temperaturami wskazanymi w obowiązującej normie PN‑76/B‑03420, a średnimi z lat 1991-2020 są niewielkie.

Poza terenami znajdującymi się na dużej wysokości, można przyjąć więc, że temperatury dla projektowania klimatyzacji i wentylacji są aktualne.

Przewymiarowane urządzenia grzewcze – dlaczego są problemem?

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu przewymiarowanie urządzeń grzewczych – szczególnie kotłów na węgiel – było standardową praktyką. Kocioł miał “w razie czego” ogrzać dom w przypadku siarczystych mrozów, większy wymiennik miał dawać więcej ciepła, a węgla było pod dostatkiem i to w dobrej cenie. Wynikało to też w dużej mierze ze stanu budynków. Z powodu kiepskiej (lub de facto żadnej) izolacji, ciepło uciekało z domu wszelkimi możliwymi drogami, przez nieocieplone ściany, nieszczelne drzwi czy okna. W domach jednorodzinnych montowało się kotły o mocy 29, 36 czy nawet 42 kW.

Przy obecnej technologii budowy domów zazwyczaj wystarczają kotły o mocy maksymalnie 20 kW, oczywiście zależy to od powierzchni, rodzaju instalacji i zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Na szczęście odchodzi się od dobierania kotła na wyrost, ponieważ taka praktyka ma same minusy. Za duży kocioł spala więcej paliwa, nie gwarantując wcale lepszego efektu energetycznego. Powoduje za to osadzanie się większej ilości zanieczyszczeń w wymienniku i kominie oraz prowadzi do zmniejszenia żywotności urządzenia. Kocioł na paliwo stałe pracuje bowiem najefektywniej z mocą nominalną. A przewymiarowany nie ma szans na jej osiąganie.

Niestety takie praktyki dobierania urządzenia z zapasem mocy po części przeniosły się też na branżę pomp ciepła. W momencie kiedy mamy zbyt duże (niż rzeczywiste) temperatury obliczeniowe oraz instalator (lub inwestor) postanowił dołożyć nieco kilowatów mocy “na wszelki”, może się okazać, że finalnie urządzenie ma moc nawet o 20-30% wyższą niż wymagana. Problemem staje się wtedy nie tylko mniejsza efektywność systemu czy wyższe nakłady inwestycyjne. Przewymiarowana pompa ciepła to przekroczony zakres regulacji mocy sprężarki, co skutkuje skróceniem jej żywotności. Krótkie cykle pracy zdecydowanie jej nie służą. A większa sprężarka potrzebuje więcej energii elektrycznej, więc nie można tu mówić o jakiejkolwiek oszczędności.

Mogłoby się wydawać, że skoro projektanci bazują na temperaturach obliczeniowych niższych niż mamy w rzeczywistości to moc większości źle dobranych pomp ciepła jest zbyt duża względem zapotrzebowania. Realia i sygnały z rynku zdają się jednak pokazywać coś innego. Często sami inwestorzy upierają się bowiem przy zamontowaniu jednostki niższej niż wymagana mocy, bo będzie ona oczywiście tańsza w zakupie. Należy jednak pamiętać, że zaniżona moc pompy ciepła to wyższe rachunki za prąd, a więc droższa jej eksploatacja. Dlaczego? Pompa ciepła wyposażona jest w grzałkę elektryczną, która podczas najniższych temperatur przejmują rolę źródła górnego. Następuje to po przekroczeniu temperatury punktu biwalentnego. Jest on graniczną wartością, gdzie pompa ciepła będzie w stanie jeszcze pokryć w 100% zapotrzebowanie na moc grzewczą danego budynku.

Poniżej temperatury punktu biwalentnego powinna uruchomić się grzałka elektryczna (lub nastąpić przełączenie na inne źródło ciepła, jeśli takowe jest dostępne). Aby ogrzewanie pompą ciepła było nie tylko ekologiczne ale i ekonomiczne, jej moc powinna być dobrana tak, aby przez 95-99% czasu była w stanie efektywnie pracować nie wspomagając się grzałką. Tylko więc przez maksymalnie 5% czasu w sezonie grzewczym grzałka powinna się załączać. Jeżeli mamy za niską moc pompy ciepła to automatycznie czas ten się będzie wydłużał, generując niepotrzebne koszty.

Dlatego tak ważny jest profesjonalny i rzetelny dobór mocy urządzenia. Taki, który oczywiście będzie uwzględniał zmiany klimatyczne, ale też nie zaniżał mocy, która rzeczywiście jest wymagana, tylko po to aby dać inwestorowi pozornie tańszą ofertę i skłonić go do szybkiego zakupu. Chciałoby się wierzyć, że takie praktyki stanowią tylko niewielki ułamek wszystkich przypadków błędnego doboru urządzenia, a pozostałe są wynikiem braku doświadczenia lub podążania starymi schematami. Boom na pompy ciepła sprawił, że jak grzyby po deszczu zaczęły pojawiać się nowe firmy instalatorskie, a ci którzy dotychczas montowali kotły stałopalne lub gazowe postanowili do swoich usług dołożyć montaż pomp ciepła. Ważne aby z tym rozwojem w parze szły też aktualizowanie wiedzy poprzez szkolenia u producentów i zdobywanie praktycznych kompetencji. 

Branża HVAC a potencjał sztucznej inteligencji

XXI wiek to jednak nie tylko skutki ocieplającego się klimatu i problemy z tym związane, ale także niesamowity postęp technologiczny. Coraz częściej słyszy się o sztucznej inteligencji (AI) i to w ujęciu znacznie szerszym niż możliwości chatu, który pisze wypracowania za uczniów na dowolny temat. “Inteligencja” systemów to nic innego jak ich zdolność do interpretacji, uczenia się i wyciągania wniosków z otoczenia celem jego optymalizacji. Systemy HVAC mogą na tym zyskać dzięki dostosowaniu zużycia energii do rzeczywistych potrzeb, co bezpośrednio prowadzi do obniżenia rachunków. Sztuczna inteligencja jest również w stanie “nauczyć się” zwyczajów użytkowników i tak sterować temperaturą, aby w każdej strefie zapewnić wymagany komfort cieplny. Instalacje wspomagane AI potrafią dokonywać autodiagnostyki, na bieżąco monitorować swój stan techniczny, przewidywać potencjalne awarie i stany zagrożenia co wpływa na zmniejszenie ich awaryjności i przerw w pracy.

Jak to wygląda w praktyce? Ciekawe są wyniki eksperymentu przeprowadzonego w Singapurze, które zostały opublikowane w październiku ubiegłego roku. Badaniu poddano obiekty biurowe, w których występował problem z komfortem cieplnym – gorącymi i zimnymi miejscami w wyniku nieoptymalnej dystrybucji powietrza. Naprawić to miało tzw. proaktywne sterowanie, pozwalające na dynamiczne korygowanie przepływów powietrza i chłodzenia wody w zależności od bieżących obciążeń cieplnych dla każdej podstrefy. Wyniki porównano z dotychczasowym sterowaniem i okazało się, że nie tylko udało się wyeliminować zimne i gorące punkty oraz zapewnić komfort termiczny, ale także zredukować koszty energii. Zapotrzebowanie na energię elektryczną na potrzeby wentylacji zmniejszyło się o 50%, na potrzeby klimatyzacji o 29%.

Inteligentny system ciepłowniczy powstanie w Lublinie

Polskie miasta również sięgają po sztuczną inteligencję, która ma wspomóc energetykę. Lubelskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej (LPEC) we współpracy z Politechniką Lubelską oraz Miastem Lublin ogłosiło wiosną tego roku budowę Inteligentnego Systemu Ciepłowniczego. Ma to być nowatorskie przedsięwzięcie mające na celu przede wszystkim optymalizację sieci ciepłowniczej w mieście, przy jednoczesnej edukacji studentów oraz doktorantów Politechniki Lubelskiej, a także podniesienie kwalifikacji pracowników LPEC.

Do zaprojektowania i wdrożenia systemu wykorzystane mają być algorytmy sztucznej inteligencji stworzone przez naukowców, wszystko po co aby powstał jak najlepiej zoptymalizowany system ciepłowniczy. Kluczowe tutaj jest osiągnięcie komfortu cieplnego odbiorców przy jak najniższym nakładzie energii. Marek Gołuch, prezes LPEC tak mówi o projekcie: “Inteligentne systemy ciepłownicze wykorzystują zaawansowane systemy zarządzania i monitoringu w celu efektywnego dostarczania ciepła do budynków. Takie systemy integrują cały szereg elementów: począwszy od źródeł ciepła poprzez sieci przesyłowe do węzłów cieplnych w budynkach i końcowych użytkowników, a także narzędzia komunikacyjne i oprogramowanie zarządzające, w celu optymalizacji zarządzania energią cieplną.”

Zaawansowane systemy informatyczne będą w stanie dostosować wytwarzanie ciepła oraz jego przesył w czasie rzeczywistym do aktualnych potrzeb mieszkańców, bez jego marnowania. Docelowo, Inteligentny System Ciepłowniczy Lublina ma zostać zintegrowany z OZE w postaci biomasy, energii słonecznej i geotermalnej. Ma również powstać oprogramowanie, które posłużyć ma do monitorowania ubytków w sieci ciepłowniczej. Takie miejsca będą szybko identyfikowane, a nieszczelności naprawiane sprawniej niż dotychczas, co podniesie wydajność i zmniejszy koszty. Te działania wpłyną nie tylko na przyspieszenie transformacji energetycznej, ale też na ogólny rozwój miasta i postrzeganie go jako miejsce atrakcyjne do inwestowania, pracy oraz życia.

---

Anna Pawłowska-Kawa

Absolwentka Politechniki Świętokrzyskiej kierunków Zarządzanie i Inżyniera Produkcji oraz Mechanika i Budowa Maszyn. Specjalistka z branży ekologicznych urządzeń grzewczych. Zwolenniczka systemowego i zrównoważonego podejścia do zagadnienia transformacji energetycznej.