کنترلر های هوشمند سامانه های گرمایشی و سرمایشی و نقش آن ها در کاهش هزینه های ساکنین

بازار کنترل HVAC در حال رشد است و پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که ارزش آن تا سال 2023 به 27 میلیارد دلار خواهد رسید که افزایشی 13 میلیارد دلاری از سال 2018 را نشان می‌دهد. توانایی کنترل خودکار عملکردهای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع در یک ساختمان است. به وضوح یک نیاز در حال افزایش است. علت این امر، نحوه عملکرد کنترل‌های HVAC و مزایای سیستم‌های HVAC هوشمند، همه اساس این مقاله را تشکیل می‌دهند.

کنترل های HVAC چیست؟

کنترل‌های HVAC شامل دستگاه‌هایی هستند که عملیات گرمایش، تهویه و تجهیزات تهویه مطبوع را در یک ساختمان کنترل می‌کنند.

 HVAC را می‌توان به عنوان “کنترل آب و هوا” برای یک ساختمان توصیف کرد. در حالی که گرمایش و سرمایش هوا را پوشش می‌دهد، به کیفیت هوای داخل ساختمان (IAQ) نیز توجه دارد.

هدف اصلی تهویه مطبوع حفظ کیفیت خوب هوای داخل از طریق تهویه کافی و ایجاد آسایش حرارتی، چه از طریق سرمایش یا گرمایش فضا است.

ساختمان‌ها معمولاً مجهز به ترموستات هستند که به سیستم تهویه مطبوع و گرمایش متصل است. با تنظیم دمای ترموستات، به نوبه خود عملکرد تهویه مطبوع و گرمایش را کنترل می‌کنید.

به عنوان مثال، هنگامی که ترموستات خود را در تابستان روی 24 درجه تنظیم می‌کنید، به واحد تهویه مطبوع خود می‌گویید که تا زمانی که دمای داخل خانه به 24 درجه برسد کار کند و در این مرحله به طور خودکار خاموش می‌شود. در صورت افزایش دما از 24 درجه، دستگاه باید دوباره روشن شود.

در این مثال، ترموستات به عنوان کنترل کننده HVAC در نظر گرفته می‌شود. با این حال، به عنوان یک حسگر نیز عمل می کند، زیرا به طور موثر دمای داخل خانه را “حس” می‌کند. حسگرها عنصر مهمی در سیستم‌های HVAC  هوشمند هستند، چیزی که در ادامه این مقاله با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد.

در تأسیسات بزرگ‌تر، کنترل‌های HVAC اغلب بخشی از یک سیستم بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند که به عنوان سیستم مدیریت ساختمان شناخته می‌شود.

سیستم مدیریت ساختمان چیست؟

یک سیستم مدیریت ساختمان (BMS) عناصر مختلف یک تاسیسات را کنترل می‌کند. برای مثال، تجهیزات اصلی الکتریکی و مکانیکی، مدیریت کنترل دسترسی، نظارت و تشخیص نفوذ و آتش سوزی را نظارت و کنترل می‌کند؛ سیستم گرمایش و تهویه مطبوع را روشن و خاموش کنید و یک نقطه دمای تنظیم شده را حفظ کنید و تهویه را بر اساس اشغال و آب و هوا تنظیم کنید.

تجمیع همه این عملکردها تحت یک پلتفرم مرکزی می تواند از بسیاری جهات سودمند باشد. این چیزی است که یک ساختمان را به یک ساختمان هوشمند تبدیل می کند.

یک سیستم تهویه مطبوع هوشمند، عنصر اصلی یک ساختمان هوشمند، توانایی کاهش مصرف انرژی و افزایش راحتی محل کار را با نظارت و بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان دارد. 

سیستم HVAC هوشمند چگونه کار می کند؟

سیستم‌های تهویه مطبوع هوشمند با فناوری اینترنت اشیا کار می‌کنند. آنها شبکه‌ای از دتکتورهای حرکت و نویز به هم پیوسته، حسگرهای رطوبت، دماسنج، ژئوفنس و نشانگرهای مکان، همراه با داده‌های آب و هوا-زمان واقعی از اینترنت را ترکیب می‌کنند.

داده‌های تولید شده از همه این منابع به یک پلتفرم مرکزی تغذیه می‌شود. در اینجا، هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی مجموعه‌ای از اتوماسیون‌ها را ایجاد می‌کنند که سیستم‌های HVAC را بدون نیاز به مداخله دستی تنظیم می‌کنند، به طوری که با شرایط متغیر محیطی هماهنگ می‌شوند و به نوسانات کیفیت هوای داخلی واکنش نشان می‌دهند.

این کنترل‌های هوشمند HVAC همچنین اطلاعات بسیار ارزشمندی را به مدیران تأسیسات منتقل می‌کنند و به آنها اجازه می‌دهند تا تصمیمات آگاهانه‌ای در رابطه با سرمایه‌گذاری در بهبود بلندمدت محیط داخلی بگیرند. این امر ممکن است از طریق خرید دستگاه‌هایی مانند مرطوب‌کننده یا رطوبت‌گیر باشد. تعمیر یا تعویض وسایلی که ممکن است مسئول سطوح ناسالم گازهای گلخانه‌ای و نگهداری سیستم‌های تهویه باشند.

کنترل‌های هوشمند HVAC چگونه کار می‌کنند؟

یک سیستم مدیریت ساختمان از چهار عنصر اصلی تشکیل شده است:

1. نرم افزار فرانت اند و رابط کاربری
2. زیرساخت شبکه
3. کنترل کننده‌ها
4. دستگاه‌های پایانی

این چهار جزء یک سیستم کنترل تهویه مطبوع را تشکیل می‌دهند که هدف آن دستیابی به راحتی و ایمنی ساکنین است و در عین حال از نظر مصرف انرژی تا حد امکان کارآمد است.

دنباله‌ای از عملیات، که گاهی به عنوان “گزاره منطقی” نامیده می‌شود، عملکرد سیستم‌های HVAC را بر اساس داده‌های ورودی از سنسورها و اقدامات کاربر خودکار می‌کند.

مثال قبلی ما را در نظر بگیرید. ترموستات را روی 24 درجه تنظیم می‌کنید. این ورودی از ترموستات از طریق زیرساخت شبکه ارسال می‌شود و به یک کنترل کننده باز می‌گردد. سپس بازخورد را دریافت می‌کند و دنباله زیر را اجرا می‌کند:

دمای هوای داخل خانه بیش از 24 درجه است -> تهویه مطبوع را شروع کنید

دمای هوای داخل خانه برابر یا کمتر از 24 درجه است -> تهویه مطبوع را متوقف کنید 

این یک مثال بسیار ساده است. سیستم‌های تهویه مطبوع بزرگتر با تجهیزات پیچیده تر شامل توالی طولانی‌تری از عملیات خواهند بود.

یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی، دو ویژگی سیستم‌های HVAC هوشمند، بر ورودی کاربر حساسند. به عنوان مثال، اگر ساکنین به صورت دستی تهویه مطبوع را در دمای 25 درجه خاموش کنند، فرض می‌شود که این دمای مطلوب برای آن منطقه خاص از ساختمان و ساکنان خاص داخل آن است. سیستم‌های HVAC هوشمند این را یاد می‌گیرند و از آن برای ایجاد اتوماسیون‌های مناسب‌تر برای ساکنین استفاده می‌کنند.

آیا انواع مختلفی از کنترل های HVAC وجود دارد؟

ساختمان‌های جدیدتر معمولاً مجهز به کنترل‌های دیجیتالی هستند که از طریق سیستم‌های الکترونیکی ارتباط برقرار می‌کنند. با این حال، ساختمان‌های قدیمی‌تر ممکن است مجهز به کنترل‌های  HVAC پنوماتیکی باشند. اینها بر روی فشار هوا کار می کنند و از فرآیندهای مکانیکی برای کنترل تجهیزات HVAC استفاده می کنند.

همانطور که تصور می کنید، کنترل های دیجیتالHVAC ، به یک ساختمان خودکارتر و کارآمدتر کمک می‌کند.

مزایای سیستم‌های HVAC هوشمند چیست؟

هدف اصلی کنترل‌های تهویه مطبوع، فراهم کردن حداکثر راحتی برای ساکنین ساختمان است، به عبارت دیگر، ایجاد یک ساختمان سالم از طریق بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان. اما با سیستم‌های تهویه مطبوع هوشمند، مزایای دیگری نیز وجود دارد.

عملیات تهویه مطبوع تقریباً نیمی از مصرف انرژی یک ساختمان را تشکیل می‌دهد. با توجه به اینکه ساختمان‌ها مسئول 39 درصد انرژی و انتشار کربن دی اکسید مربوط به فرآیند هستند، نمی‌توان بر اهمیت ایجاد یک ساختمان کارآمد انرژی بیش از حد تأکید کرد.

با یک سیستم تهویه مطبوع هوشمند، امکان نظارت بر فضاهای فردی از طریق سنسورهای متصل به اینترنت اشیاء، تنظیم اتوماسیون برای خاموش کردن گرمایش و تهویه مطبوع در جایی که تشخیص داده می‌شود اتاق‌ها اشغال نمی‌شوند، امکان‌پذیر است. خاموش کردن گرمایش در جایی که دمای محیط افزایش یافته است، یا خاموش کردن تهویه مطبوع در جایی که دمای آن کاهش یافته است. همه اینها ضایعات را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.

علاوه بر این، تهویه مطبوع هوشمند ساکنان ساختمان را قادر می‌سازد تا شرایط آب و هوایی فردی خود را متناسب با ترجیحات شخصی خود و همچنین شرایط آب و هوایی فعلی و وظایفی که در حال حاضر انجام می‌دهند، تنظیم کنند. حتی بهتر از آن، سیستم از ورودی کاربر یاد می‌گیرد، بنابراین افراد می‌توانند از اتوماسیون HVAC  شخصی خود لذت ببرند.

سنسور IAQ و اپلیکیشن دفتر هوشمند – سیستم عامل فضاهای هوشمند چگونه Smart Spaces می‌تواند کنترل‌های HVAC را هوشمندتر کند؟

 Smart Spaces یک پلتفرم مبتنی بر برنامه مبتنی بر اینترنت اشیا است که امکان کنترل خودکار سیستم‌های HVAC را فراهم می‌کند. این به مدیران تأسیسات اجازه می‌دهد تا کیفیت هوای داخل خانه را کنترل، تنظیم و حفظ کنند، و از نزدیک نظارت و مصرف انرژی را کاهش دهند.

با استفاده از یک پلتفرم تجسم دوقلو دیجیتال ، می توان از یک کپی سه بعدی از ساختمان برای تعیین اقدامات لازم برای دستیابی به شرایط کاری بهینه استفاده کرد.

سرنشینان همچنین می‌توانند شرایط محیط کار شخصی خود را از طریق یک برنامه تلفن هوشمند کنترل کنند. یادگیری ماشین ترجیحات شخصی را ذخیره می‌کند و پیش تنظیم‌هایی را برای وظایف خاص، زمان‌های روز و شرایط محیطی ایجاد می‌کند.

با توجه به اینکه مصرف انرژی HVAC بیش از 40 درصد از کل مصرف انرژی یک ساختمان تجاری را تشکیل می‌دهد، جای تعجب نیست که بسیاری از مدیران تاسیسات (FM) در حال مطالعه راه‌هایی برای بهینه سازی کارایی این سیستم هستند.

ایده‌های زیادی وجود دارد که بسیاری از آنها بهترین روش‌ها برای هر FM در نظر گرفته می‌شوند، مانند تغییر فیلترهای HVAC طبق برنامه و انجام تعمیر و نگهداری منظم. اما اگر می‌خواهید فعال‌تر باشید، ایده‌های فهرست‌شده در زیر را بررسی کنید. همچنین به خاطر داشته باشید که هر رویکردی ممکن است برای هر ساختمانی مناسب نباشد. یک راه خوب برای شروع در مسیر صرفه جویی، ممیزی انرژی است که توصیه‌های هدفمندی را برای بهینه سازی مصرف انرژی HVAC در ساختمان تجاری شما ارائه می‌دهد.

مصرف انرژی HVAC در ساختمان های تجاری: 4 راه برای صرفه جویی

1. سیستم HVAC خود را به صورت استراتژیک اجرا کنید تا از هزینه های اوج تقاضا جلوگیری کنید.

دمای ظهر بالا و در اوج است، و به طور طبیعی AC ساختمان شما کار می‌کند. با این حال، این استراتژی همچنین هزینه تقاضای قبض برق شما را افزایش می‌دهد. شارژ تقاضا بخشی از صورت‌حساب شما است که نشان‌دهنده حداکثر توانی است که ممکن است در هر نقطه در طول ماه به آن نیاز داشته باشید – این اطمینان را ایجاد می‌کند که ساختمان شما تمام انرژی مورد نیاز خود را همیشه دریافت می‌کند. هزینه تقاضای شما بر اساس حداکثر مصرف برق شما در طول یک دوره صورتحساب است (معمولاً در فواصل 15 دقیقه اندازه‌گیری می‌شود). راه‌اندازی چندین واحد تهویه مطبوع با ظرفیت کامل در گرم ترین زمان روز به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد که به معنای افزایش ناخواسته شارژ تقاضای شما است.

شما می توانید با استفاده از اقدامات استراتژیک در مورد سرمایش، هزینه‌های تقاضا را در رابطه با مصرف انرژی HVAC  کاهش دهید. اگر می‌دانید که آن روز گرم خواهد بود، می‌توانید برنامه عملیاتی تهویه مطبوع خود را تغییر دهید و ساختمان را زودتر در روز خنک کنید و میزان برق مورد نیاز را بعداً کاهش دهید. همچنین می‌توانید زمان‌های کارکرد واحدهای خود را ارزیابی کنید، تا همه آنها به طور همزمان روشن نشوند و به اوج مصرف خود نرسند.

شما می توانید با استراتژیک تر بودن در مورد سرمایش، هزینه های تقاضا را در رابطه با مصرف انرژی HVAC کاهش دهید.

2. 2. میزان ورودی هوای بیرون را تنظیم کنید تا با سطح اشغال واقعی مطابقت داشته باشد.

در بسیاری از ساختمان‌ها، میزان تهویه هوای تازه در سطح ثابتی که معمولاً بر اساس اوج اشغال است، حفظ می‌شود. با این حال، بیشتر ساختمان‌ها در بیشتر مواقع در اوج مصرف نیستند، به این معنی که شما برای برق مورد نیاز برای تهویه بیش از حد هزینه می‌کنید.

یک سیستم تهویه کنترل تقاضا ، ورودی هوای بیرون را تنظیم می‌کند تا اشغال و فعالیت واقعی انسان در داخل ساختمان را در خود جای دهد. سطوح CO2 را می‌توان به طور فعال کنترل کرد و بسته به داده‌های دریافتی، سیستم HVAC  به طور خودکار هدایت می‌شود تا ورودی هوای بیرون را کاهش دهد یا هوای اضافی بیرون را وارد کند. چنین سیستمی کار برای سیستم های گرمایش و سرمایش را کاهش می‌دهد و مصرف انرژی شما را کاهش می‌دهد. با تهویه کنترل تقاضا می‌توانید تا 20 درصد در قبض برق خود صرفه‌جویی کنید.

3. 3. ساختمان خود را با یخ خنک کنید.

علاقه فزاینده‌ای به روش جایگزین خنک کننده به نام ذخیره انرژی حرارتی (TES) وجود دارد که آب را در طول شب منجمد می‌کند و بعداً برای خنک کردن ساختمان در روز بعد استفاده می‌شود. همانطور که توسط مشاور ساختمان سبز توضیح داده شده است: در شب، “چیلرها” محلول گردش شده از طریق لوله در مخازن عایق آب را خنک می کنند. یخ روی سیم پیچ های غوطه ور جمع می‌شود و تا صبح، مخزن یخ می‌زند. در طول روز، یک محلول ضد یخ گرم از طریق همان لوله به گردش در می‌آید و توسط یخ اطراف خنک می‌شود. مایع سرد حاصل یا به طور مستقیم ساختمان را خنک می‌کند یا برای خنک کردن هوای توزیع شده از طریق مجاری استفاده می‌شود.

یک شرکت توانست با استفاده از فناوری TES ، اوج تقاضای انبار یخچالی خود را تا 29 درصد کاهش دهد. برخی از ایالت‌ها مانند ماساچوست و کالیفرنیا نیز اقداماتی را برای استفاده از ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در پاسخ به هزینه بالای عملیات سیستم‌های AC سنتی انجام داده‌اند.

فراتر از بهترین شیوه ها

همانطور که قبلا ذکر شد، تغییر مداوم فیلترهای تهویه مطبوع و انجام تعمیر و نگهداری منظم بخشی از عملکرد بهینه سیستم است. اما شدت این شیوه‌ها را نیز می‌توان افزایش داد تا کارایی هزینه‌های بیشتری را ارائه دهد.

مسدود شدن فیلترها باعث می‌شود تا فن‌ها بیشتر از آنچه که باید کار کنند، کار کنند، به همین دلیل است که تغییر مداوم فیلترها مهم است. اما فیلترها گران هستند. بنابراین به جای اینکه آنها را طبق یک برنامه از پیش تعیین شده تغییر دهید، چرا آنها را هر چند وقت یکبار که نیاز دارید تغییر ندهید؟ سنسورهای اینترنت اشیا که برای نظارت بر جریان هوا تنظیم شده‌اند می‌توانند در صورت مسدود شدن فیلترها یا عدم دریافت جریان هوا مناسب به شما هشدار دهند که به شما امکان می‌دهد در هزینه فیلترها صرفه جویی کنید.

بررسی‌های تعمیر و نگهداری منظم اطمینان حاصل می کند که سیستم HVAC شما به درستی و کارآمد کار می‌کند، که یک استراتژی نگهداری پیشگیرانه خوب است. اما اتخاذ یک استراتژی تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌کننده می‌تواند عناصر مهم سیستم تهویه مطبوع شما (مانند پمپ‌ها، موتورها و کمپرسورها) را برای مدت طولانی‌تری سالم نگه دارد. برای مثال، سنسورهای اینترنت اشیا که کمپرسورهای شما را کنترل می‌کنند، می‌توانند زمانی که کمپرسور بیشتر از حد معمول کار می‌کند، یا اگر لرزش از حد معمول منحرف شود، به شما هشدار می‌دهند. شناسایی هر دو نمونه طبق یک برنامه تعمیر و نگهداری سنتی بیشتر طول می‌کشد، اما می‌توان فوراً با تعمیر و نگهداری پیش بینی به آن پرداخت.

4. 4. سرعت موتورهای الکتریکی HVAC خود را کنترل کنید.

سیستم‌های HVAC همگی از موتورهای الکتریکی استفاده می‌کنند که بخش بزرگی از کل مصرف انرژی HVAC در ساختمان‌های تجاری را تشکیل می‌دهند. این بدان معناست که صرفه جویی قابل توجهی را می‌توان صرفاً با کارکرد مؤثرتر آن موتورها داشت. یک راه برای انجام این کار استفاده از درایوهای فرکانس متغیر (VFD) است.

موتوری که با سرعت جزئی کار می‌کند نسبت به موتوری که با سرعت کامل کار می‌کند، انرژی کارآمدتر است. VFD ها را می‌توان برای کنترل سرعت فن‌ها، پمپ‌ها یا کمپرسورهای دمنده HVAC استفاده کرد. فن‌ها و پمپ ها اغلب در بار جزئی کار می‌کنند. یک VFD می‌تواند سرعت یا گشتاور موتور را برای کنترل خروجی سیستم تغییر دهد و در نتیجه باعث افزایش راندمان و صرفه جویی در انرژی می شود.

منبع:

https://www.iotacommunications.com/blog/hvac-energy-consumption-in-commercial-buildings