بررسی صرفه جویی انرژی در پروژه تهویه برج سوییس

با توجه به اهمیت انرژی و نوع مصرف آن در دنیای امروز مناسب دیدیم که در مقاله حاضر در ارتباط با صنایع و به ویژه در ارتباط با صنایعی که در آنها از فن استفاده می شود بپردازیم.  همانطورکه مشخص می باشد در برخورد با مصرف انرژی همواره به دو جنبه بیشتر پرداخته می شود. اول اینکه  سهم بیشتر استفاده جهان انرژی های تجدید ناپذیر است که در جهت نگهداری بیشتر آنها در طول زمان بیشتر  ، راهکارهای کاهش مصرف انرژی مد نظر قرار می گیرند و اما واضح است که  در پی کاهش مصرف انرژی فواید دیگری مانند آسیب کمتر به محیط زیست نیز برای جهان به ارمغان خواهد آمد.

در متن این مقاله با توضیح یک پروژه واقعی میزان صرفه جویی انرژی را در نوسازی و بازسازی یک پروژه موجود که در حال کار بوده است به طور ملموس دیده می شود. با توجه به اینکه جایگزین کردن کامل سیستم‌های تهویه قدیمی زمان‌بر و هزینه‌بر است در بسیاری از پروژه ها می توان به انتخاب بازسازی پروژه نیز فکر کرد که فواید بیشماری را نصیب صاحب پروژه و البته محیط زیست ما خواهد کرد.

شرح پروژه و اقدامات صورت گرفته :

 پروژه بازسازی فن در یک ساختمان بلندمرتبه در دبی نشان می‌دهد که  پتانسیل زیادی برای صرفه جویی با استفاده از فن های EC و همچنین طراحی یک سیستم کنترلی بر مبنای تقاضا وجود دارد.

برج سوئیس یک ساختمان بلند 40 طبقه در دبی است که دارای دفاتر اداری و آپارتمان های لوکس می باشد (شکل 1). چهار واحد هواساز به طور مداوم وظیفه تامین هوای سرد را برای این ساختمان بر عهده دارند. سیستم های قدیمی همیشه با بار کامل کار می کردند ، وجود نداشتن روشی برای تنظیم آن‌ها بر اساس تقاضا با توجه به تغییرات تعداد فضاهای اداری اشغال شده ، منطقی بود که باعث شود که سیستم‌های قدیمی هزینه‌بر باشند و منجر به هدررفت انرژی بالایی شود.

با توجه به این مشکلات بازسازی واحدهای هواساز بهترین انتخاب ممکن از نظر اقتصادی و زمانی بود. بهترین انتخاب ممکن برای کاهش مصرف برق فن ها ایجاد یک سیستم کنترلی بود. مزیت این کار افزایش طول عمر واحدهای هواساز نیز بود. قرارداد بازسازی به جان دیویس و شرکتش Qey Energy Solutions واگذار گردید ، که از نزدیک با شرکت های ebm-papst Middle East و Taka Solutions برای توسعه یک راه حل کارآمد همکاری کرد.

شکل1- نمای برج سوئیس در دبی

یک راه حل کامل و کارآمد

برای کوتاه تر شدن زمان از کار افتادن واحدهای هواساز بازسازی آن ها به طور مجزا و جداگانه انجام شد. با این حال ، این بدان معنا بود که در طول زمان توقف ، بخش‌هایی از ساختمان دیگر نمی‌توانست هوای تازه را تامین کند. این فشار زمانی به این معنا بود که فن های جدید باید سریعا نصب و جایگزین شوند. برای همین “MatrixAir+ EC” کمپانی Qey راه حل این مشکل بود. پکیج فن متشکل از فن های EC ، جعبه های ترمینال فن ، دیواره های فن و پنل های کنترلی بود که به عنوان یک راه حل کارآمد از قبل آماده شده بود و به طور مستقیم در واحدهای هواساز نصب می شد.

در مورد انتخاب اولین اجزا تصمیم گرفته شد از فن های سانتیرفیوژ EC سری RadiPack که متعلق به شرکت ebm-papst هست ، استفاده شود. طراحی کامپکت و وزن کم آن در مقایسه با یک فن بزرگ ACتعویض را آسان و بدون ریسک کرد ، زیرا برای نصب به تجهیزات سنگینی نیاز نبود ، که باعث صرفه جویی در زمان و هزینه نیز می‌شد. از آنجایی که RadiPac به عنوان یک راه حل Plug & Play عرضه می شود ، راه اندازی فن EC نیز یک فرآیند سریع است.

مجموعا  26عدد RadiPac به عنوان FanGrid  در بخش های ورودی و خروجی هر یک از چهار هواساز نصب شدند(شکل 2).

شکل2- نصب پکیج فن های از قبل آماده شده شرکت ebm-papst

FanGrid تضمین کننده قابلیت اطمینان عملیاتی

یک FanGrid شامل چندین فن کوچک است که در کنار یا بالای یکدیگر قرار گرفته اند و به صورت موازی کار می کنند. این طراحی ، قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد و قابلیت اطمینان عملیاتی بیشتری را تضمین می‌کند (شکل ۳). اگر یکی از فن ها خراب شود ، بقیه فن های EC حجم هوای از دست رفته را جبران می کنند. این کار قابلیت اطمینان لازم را به خصوص برای سیستم های بزرگ و در مناطق گرم مانند دبی فراهم می کند ، همچنین یک دیگر از مزایای استفاده از FanGrid افزایش طول عمر سیستم بود. این را می توان با استفاده از چندین فن کوچک با بار جزئی به جای یک فن بزرگ که به طور مداوم با بار کامل کار می کند بدست آورد. یکی از مزایای دیگر این نوع تنظیمات این است که هوا می‌تواند به طور یکنواخت از طریق اجزای بالا دست و پایین دست مانند فیلترها و مبدل‌های حرارتی جریان یابد. این باعث می شود هوا بهتر فیلتر شود و انتقال حرارت بهتری صورت بگیرد که به نوبه خود باعث کاهش هزینه های عملیاتی سیستم می شود. همچنین چندین فن کوچک نسبت به یک فن بزرگ معمولا به فضای کمتری برای نصب نیاز دارند و تعویض آن‌ها راحت تر می باشد.

شکل3- یک FanGrid که متشکل از RadiPack ها می باشد که به طور موازی کار می‌کنند.

صرفه جویی در مصرف انرژی با فناوری EC

هدف اصلی بازسازی صرفه جویی در مصرف انرژی بود ، به همین دلیل یک فن با موتور EC انتخاب شد. راندمان بالای موتور آن  به تنهایی باعث صرفه جویی زیادی در مقایسه با موتور AC می‌شود. علاوه بر این ، فن های قدیمی AC  ، تنها دو حالت داشتند یا خاموش بودند  ، یا با حداکثر سرعت کار می کردند; به دلیل عدم وجود کنترل الکترونیکی هیچ سطحی ما بین این دو حالت وجود نداشت این بدان معنی بود که صرف نظر از نیاز واقعی ساختمان  ،  سیستم با تمام توان در حال کار کردن بود ، حتی اگر در زمان‌های معینی نیاز ساختمان خیلی کمتر از این مقدار بود.

در مقابل ، فن های EC را می توان به طور مداوم بین 0 تا 100٪ کنترل کرد ، به این معنی که همیشه می توان سرعت را مطابق نیاز تنظیم کرد در نتیجه پتانسیل قابل توجهی برای صرفه جویی به وجود می آید چرا که مصرف برق با توان سوم سرعت رابطه مستقیم دارد.(P~n³) بنابراین اگر سرعت به نصف سرعت اسمی کاهش یابد ، مصرف برق به میزان 8 برابر کمتر می گردد که معادل 12.5 درصد از خروجی نامی است (87.5 درصد صرفه جویی در مصرف برق). از طرف دیگر ، اگر نیمی از فن های AC خاموش باشند و نیمی دیگر همچنان با بار کامل کار کنند ، تنها 50 درصد در مصرف برق صرفه جویی می شود.

شکل4- سیستم کنترل مبتنی بر تقاضا که جریان حجم هوا را بسته به زمان تنظیم می کند.

تأمین هوای تازه بر اساس تقاضا

بخش دوم ارتقاء شامل بهبود سیستم کنترل بود. برج سوئیس قبلا دارای یک سیستم مدیریتی برای ساختمان بود؛ هدف در خصوص سیستم‌های تهویه هوا در حال حاضر توسعه یک استراتژی زمانی برای کنترل آن‌ها بود. یکی از مزایا این کار بدین صورت بود که که به لطف اسکن‌های امنیتی در ورودی و خروجی ، داده‌های مربوط به تعداد فضاهای اشغال شده ساختمان قابل دسترس بود که بر اساس زمان روز متغیر بود. با همکاری  شرکت Qeyو Take Solutions ، از این داده‌ها برای تعیین نیاز به جریان هوا به صورت زمانی استفاده شد و یک برنامه زمانبندی  با استفاده از نرم‌افزاری که به‌طور خاص برای پروژه‌های بازسازی توسعه یافته بود ، تدوین شد(شکل ۴).

نیاز برق ادارات در صبح و عصر کمتر است و به همین دلیل در این مواقع مصرف برق کاهش می یابد. در حالی که در طول ظهر ساختمان در بالاترین ظرفیت خود قرار دارد و همچنین دما در بالاترین حد خود قرار دارد ، در نتیجه واحد های هواساز باید حجم بیشتری هوا را تحویل بدهند در نتیجه بیشترین تقاضا برای سرمایش وجود دارد(شکل 5). شرط ایده آل برای این کار رابط RS485/MODBUS RTU RadiPac است ، که فن ها را قادر می سازد تا به صورت هوشمند کنترل شوند و همچنین اجازه می دهد تا داده های عملکرد هر فن به طور جداگانه نظارت شود. RadiPac همچنین اندازه گیری فشار دیفرانسیلی را امکان پذیر می کند ، زیرا دارای یک شیر فشار برای اتصال فشارسنج دیفرانسیلی می باشد. این مزیت این امکان را می‌دهد تا نتیجه‌گیری در مورد نرخ جریان هوا که در حال حاضر مدیریت می‌شود راحت‌تر انجام شود ، نرم‌افزار شرکت Qey قادر است سرعت را به طوری که در برنامه زمانبندی مشخص شده است ، نظارت و کنترل کند ، همچنین جریان هوا ، مصرف انرژی و در صورت لزوم هشدارها را نظارت کند و به سرعت اقدامات متقابل را آغاز کند.

نمودار وات مصرفی در طول روز در سیستم تهویه

شکل5- منحنی مشخصه: در اینجا نمودار جریان توان مصرفی در طول روز به لطف سیستم کنترل وابسته به زمان قابل مشاهده است.

پس از بازسازی ، پیک تقاضای جدید تنها 16.5 کیلووات (31 کیلووات قبل از بازسازی) است.

هدف موردنظر به دست آمد و مصرف انرژی بیش از 60٪ کاهش یافت.

مستندسازی و نظارت بر داده‌های عملیاتی برای بررسی صرفه‌جویی در انرژی حاصل از ارتقاء بسیار مهم است و می‌تواند در مرحله بعدی به بهبودهای اضافی در سیستم کنترل کمک کند. این به این دلیل است که پس از گذشت یک مدت زمانی که در آن برنامه زمانبندی داخلی آزمایش می‌شود ، ممکن است نیاز به تنظیمات و بهبودهای بیشتر در سیستم کنترل وجود داشته باشد. نظارت مداوم بر هر فن به تضمین قابلیت اطمینان نیز کمک می‌کند به طوریکه مشکلات می‌توانند به سرعت شناسایی شوند و در مرحله اولیه از وقوع عواقب منفی جلوگیری شود.

در نهایت ، با نظارت و مستندسازی داده‌های عملیاتی ، می‌توان تعیین کرد که بازسازی چقدر صرفه‌جویی را به دست آورده است: اوج تقاضا برای موتور قدیمی 31 کیلو وات بود. پس از بازسازی ، پیک تقاضا برای حداکثر جریان هوای مورد نیاز 16.5 کیلو وات شد.

سیستم کنترل بر اساس تقاضا همچنین به این معنی است که مصرف بیشینه جدید تنها در صورت نیاز و بطور موقت استفاده می‌شود و دیگر به صورت پیوسته استفاده نمی شود(شکل ۶). استفاده از فن‌های کارآمد RadiPac از شرکت ebm-papst ، دانش گسترده Taka Solutions در تجزیه و تحلیل ساختمان و راه‌حل بازسازی MatrixAir از شرکت Qey ، منجر به پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز پروژه شد که در نتیجه آن مصرف انرژی بیش از 60% کاهش یافت.

شکل6- الکترونیک کنترل با رابط RS485/MODBUS RTU که از قبل در RadiPac ادغام شده است.

معرفی اقداماتی که برای بازسازی باید یا نباید انجام شوند.

اقداماتی که باید انجام شوند !

1- بصورت حضوری از محل مورد نظر دیدن کنید.

برای قادر بودن به برنامه‌ریزی یک بازسازی ، شرکتی که آن را اجرا می‌کند باید به محل مورد نظر مراجعه کند تا ایده‌ای از آنچه باید انجام شود کسب کند. این تنها راه برای تعیین این است که چگونه فن‌های قدیمی از ساختمان برداشته شود و چگونه فن‌های جدید نصب شوند. همچنین بهتر است تجهیزات حمل و نقلی که در محل نصب باید استفاده شود ، تعیین و تهیه گردد.

2- ایجاد یک برنامه زمانبندی دقیق

مراکز خرید یا ساختمان‌های کارخانجات بعضاً تنها می‌توانند فعالیت خود را به مدت کوتاهی متوقف کنند. بنابراین ، ضروری است زمان‌های احتمالی برای انجام بازسازی را در مرحله اول شناسایی کنید و سپس با توجه به آنها برنامه‌ریزی کنید.

3- ثبت و مستندسازی وضعیت فعلی سیستم

ثبت و مستندسازی هدف مورد نیاز سیستم همراه با مشتری قبل از بازسازی بسیار حائز اهمیت است. از آنجایی که سیستم‌ها گاهی ممکن است بین 20 تا 30 سال قدمت داشته باشند ، مهم است که مثلاً در مورد اینکه آیا قسمت‌هایی از ساختمان در مرحله بعدی اضافه شده یا حذف شده‌اند ، بحث شود ، زیرا ممکن است این موارد نیز ، نیاز به در نظر گرفتن داشته باشند.

4- آماده کردن مواد لازم قبل از بازسازی

اگر قرار است بازسازی موفقیت آمیز باشد ، پس از شروع فرآیند ، زمانی برای تهیه مواد وجود ندارد. این اتفاق زمانی به چشم می آید که کار در روزهای یکشنبه یا تعطیلات رسمی انجام شود. بنابراین ، تمام مواد باید زودتر تهیه شود.

5- بررسی سازگاری سیستم کنترل

امروزه فن های مدرن اغلب دارای یک سیستم کنترل مبتنی بر آنالوگ هستند که از سیگنال 0-10 ولت استفاده می کنند یا از طریق رابط ModBUS کنترل می شوند. در این راستا بررسی اینکه آیا این گزینه ها با شرایط موجود در محل مورد بازسازی سازگاری دارند یا خیر حائز اهمیت است. اگر اینطور نیست ، باید یک رابط مناسب برنامه ریزی و اجرا شود.

مواردی که نباید انجام شوند !

1- تمرکز فقط بر روی فن

یک سیستم تهویه بیش از یک فن است. بنابراین ، هم کل سیستم و هم منطقه اطراف باید در برنامه‌ریزی بازسازی مد نظر قرار گیرند. این کار به شما این امکان را می‌دهد تا عملکرد کلی سیستم را شناسایی کنید و جنبه‌های خاصی مانند آلاینده‌های موجود در هوای خروجی را در نظر بگیرید.

2- اعتماد بیش از حد به مستندات

حتی اگر مستندات جامعی از سیستم وجود داشته باشد ، باید نکات کلیدی مهم را به طور مستقیم مورد بررسی قرار داد. این می‌تواند به حذف احتمال اینکه پارامترها در طول زمان بدون ثبت تغییر کرده باشند ، کمک کند.

3- برنامه‌ریزی بدون تأمین منابع مالی

اگر فن‌های شما دارای راندمان بالا باشند ، هزینه‌های بازسازی به زودی جبران می‌شود. با این حال ، اگر از فرصت‌های تأمین منابع مالی متنوعی که موجود است ، استفاده کنید می‌توانید هزینه‌های اولیه را به سرعت بیشتری جبران کنید.

4- نادیده گرفتن مستندات

تمام مراحل پروژه باید دقیقاً مستند باشد از توافق بر سر قرارداد بازسازی گرفته تا مصرف انرژی قبل و بعد از بازسازی ، این به همه طرف‌های درگیر کمک می‌کند و اغلب تأمین مالی را ممکن می‌سازد.

5- ارزیابی هزینه‌ها و مزایا در کوتاه مدت

در ارزیابی هزینه‌های یک پروژه بازسازی ، همواره نباید فقط به دوره زمانی کوتاه مدت توجه کرد. بدون شک ، بازسازی در ابتدا هزینه‌هایی را به همراه دارد. با این حال ، در طول زمان ، بهره‌برداران به سرعت هزینه‌های خود را جبران می‌کنند و همچنین هزینه‌های روزانه را کاهش می‌دهند.