ניתוח עלות-תועלת של איכות אוויר משופרת בבניין משרדים
ניתוח עלות תועלת של אמצעים לשיפור איכות אוויר בבניין משרדים קיים בעל מערכת מיזוג אוויר (11581 מטר רבוע, 864 עובדים) התבצע בתנאי אקלים חמים, מתונים וקרים וכלל שני מצבי הפעלה משתנים: נפח אוויר משתנה (VAV- variable air volume) עם מתקן לחיסכון באנרגיה; ונפח אוויר קבוע (CAV - constant air volume) יחד עם אמצעי למחזור חום. עלות האנרגיה השנתית והעלות הראשונית של מערכת החימום, אוורור ומיזוג האוויר (HVAC) חושבה ע"י שימוש ב-DOE 2.1E עבור רמות שונות של איכות אוויר (10%-50% אי-שביעות רצון). חישוב זה נעשה ע"י שינוי שיעור אספקת האוויר החיצוני ועומסי זיהום. מחקרים קודמים תעדו עליה של 1.1% ביכולת היצרנית של המשרד עבור כל הפחתה של 10% בכמות השוהים בחלל סגור שאינם שבעי רצון מאיכות האוויר. כאשר הנחה זו נלקחת בחשבון התועלת השנתית הנובעת עקב איכות אוויר משופרת הייתה תמיד גבוהה יותר פי 10 מאשר העלייה בעלויות האנרגיה והתחזוקה. תקופת החזר ההשקעה של העלויות הראשוניות של מערכת ה-HVAC הכוללת שיפור באיכות האוויר הייתה תמיד פחות מ-4 חודשים.
מבוא
משכורותיהם של עובדים במשרדים חורגות בדרך כלל בעלויות האנרגיה והתחזוקה של הבניין בפקטור של 100 בקירוב והן חורגות מעלות הבניה או ההשכרה המופחתת באותו שיעור לערך. עליה של כמה אחוזים בכושר היצרנות המשרד תהיה לפיכך מספקת בכדי להצדיק עלויות גבוהות יותר באנרגיה, תחזוקה ובניין כאשר שיעורי אספקת האוויר מן החוץ גדלים מעל דרישות המינימום. Eto ו-Meyer (1988) ו-Eto (1990) העריכו את ההשפעה של שיעורים גבוהים יותר של אספקת אוויר מן החוץ על עלויות האנרגיה ועל העלות הראשונית של מערכות החימום, אוורור ומיזוג האוויר (HVAC) בבניין משרדים בעל מערכות נפח אוויר משתנה
(VAV) בעל מתקן לחיסכון באנרגיה ע"י שימוש בתוכנת DOE-2 למדידת ביצועים אנרגטיים שפותחה עבור משרד
האנרגיה האמריקאי (Curtis et al., 1984). החוקרים הראו כי הגדלת שיעור אספקת האוויר מן החוץ משיעור של 2.5 ליטר/שנייה לאדם ל-10 ליטר/שנייה לאדם תגדיל את עלויות צריכת האנרגיה השנתית בפחות מ-5% ואת העלות הראשונית של מערכת ה-HVAC בפחות מ-1%. אולם, באותה תקופה הנתונים בנוגע להשפעה של אוורור מוגבר על היצרנות במשרדים לא היו זמינים ולפיכך לא הייתה אפשרות להשוות את שיעורי האנרגיה הגבוהים ועלויות ההשקעה עם התועלת הכלכלית האפשרית הטמונה ביכולת יצרנות משופרת.
מאז, שלושה מחקרים עצמאיים ניסיוניים הראו כי שיפור איכות האוויר משפרת את הביצועים של עבודה משרדית טיפוסית כגון הקלדה, חישובים מתמטיים, והגהה. תוצאות מחקרים אלה מצביעות על שיפור אפשרי של 5% כאשר איכות האוויר משתפרת מרמה בינונית המתגלה לעיתים קרובות במשרדים לרמה גבוהה. תוצאות חדשות אלה מראות כי היתרונות הגלומים ביצרנות מוגברת עשויים לעלות על העלויות הנדרשות בכדי לשפר את איכות האוויר. מטרת העבודה הנוכחית הינה לבחון השערה זו באופן כמותי ע"י הדמיה של הפעלת מערכת HVAC טיפוסית בבניין משרדים בעל רמות שונות של איכות אוויר ועריכת השוואה בין אנרגיה מוגברת, תחזוקה ועלויות ראשוניות של מערכת ה-HVAC יחד עם יתרונות כלכלים חזויים של יצרנות משופרת.
שיטה
סדרה של הדמיות פרמטריות של אנרגיה בבניין נערכה ע"י שימוש בתוכנת DOE-2 לניתוח אנרגיה בבניינים. הפרמטרים היחידים ששונו נגעו למערכת האוורור המכאנית, תנאי אקלים ואיכות האוויר בחלל הפנימי. כל המאפיינים הקבועים של הבניין כגון מבנה וצורה ארכיטקטונית, עומס חשמלי למטרות תאורה וציוד משרדי, שעות הפעלה וטמפרטורות מינימאליות נשמרו ללא שינוי.
תוכנית האב של הבניין נלקחה מתוכניות של בניין משרדי קיים שנבחר בשל חלוקה שווה של עומסים פנימיים וחיצוניים בכל האזורים ונמצא כמתאים לניתוח מערכות טיפול האוויר המתאימות (טבלה 1). מבנה הבניין, מערכות המיזוג והתאורה תאמו לדרישות ארגון ASHRAE 90.1 (1999). עבור ההדמיות, ההנחה הייתה כי מערכת ה-HVAC בבניין הייתה מערכת של נפח אוויר משתנה (VAV) בעלת מכשיר לחיסכון באנרגיה או מערכת בעלת נפח אוויר קבוע (CAV) בעלת מחלף חום סיבובי כאשר לשתי המערכות לפיכך קיימת אפשרות למחזור חום. ההנחה הייתה כי הבניין היה בניין בעל רמת זיהום נמוכה או רמת זיהום שאינה נמוכה כך שע"פ תקן CR 1752 (CEN, 1998) ההנחה הייתה כי עומס הזיהום של הבניין (כולל חומרי בניין, ריהוט, ציוד ומערכת HVAC) עמד על 0.1 או 0.2 olf/m2 לקומה. התפוסה עמדה על 0.07 אנשים/מ"ר לקומה. הונח כי הבניין ממוקם בשלושה מקומות שונים: מיאמי, שיקגו וויניפג המייצגות תנאי אקלים חמים, מתונים וקרים בצפון אמריקה. העשה שימוש בנתונים מטאורולוגיים שנתיים מייצגים כוללים 8760 שעות של ערכים סטטיסטיים עבור טמפרטורת גולה יבשה ולחה, קרינה סולארית ועננים במהלך ההדמיות של שלוש מקומות אלה.
טבלה 1. תיאור של הבניין הראשי ומאפייני מערכת ה-HVAC
גודל
11581 מ"ר
צורה
צורת U, שטח קומה - 965 מ"ר
מספר קומות
12
תפוסה
864
בנייה
קירות: בנייה כבדה בעלת בידוד 12 ס"מ, U=0.4W/m2K, חלון (זכוכית + מסגרת) U=1.1 W/m2K
ציפוי
25% משטח הקיר
שעות עבודה שבועיות
8:00 בבוקר - 6:00 בערב; תפוסה של 30% בימי ראשון ובחגים
הגדרות תרמוסטט
קירור 24°C; חימום 21.3°C 13°C טמפרטורה בלילה
עומסים פנימיים
תאורה 14W/m2; ציוד 8.1W/m2; 864 אנשים
מערכת HVAC
VAV בעלת מתקן לחיסכון באנרגיה או CAV בעל מחלף חום סיבובי
נצילות מערכת חימום
75%
נצילות מערכת קירור
קירור באוויר, נצילות בינונית, COP=3
כתנאי ייחוס עבור ההדמיות הונח כי איכות האוויר בבניין גרמה לאי שביעות רצון בקרב 50% מהנכנסים לבניין. מחקר שנערך במסגרת פרויקט Audit האירופאי בתשע מדינות מצא כי איכות אוויר זו הייתה טיפוסית ב-56 בניינים שנכללו במחקר (Bluyssen et al., 1996). כאשר ההתחלה הייתה מתנאי ייחוס זה, השיפור באיכות האוויר התבצע ע"י עליה של 10% ברמת אי שביעות הרצון באמצעות הגברה של אספקת האוויר מן החוץ (טבלה 2); רמת אי שביעות רצון של 15% נכללה בכדי להתאים לדרישות תקן CR 1752 (CEN, 1998). שיעורי האוורור חושבו ע"י שימוש במודל הנוחות (Fanger, 1988) מתוך הנחה כי עומס הזיהום החושי הכולל (אנשים+בניין) ינוע בין 0.17 ל-0.27 olf/m2 בקומה בהתאמה בבניינים בעלי זיהום נמוך ובבניינים שאינם בעלי זיהום נמוך.
טבלה 2. שיעורי אספקת אוויר מן החוץ בבניין עם רמות שונות של איכות אוויר.
איכות אוויר
שיעור אספקת אוויר מן החוץ
בניין בעל זיהום נמוך (LpB)
בניין בעל שיעור זיהום לא-נמוך (NlpB)
% אי שביעות רצון
decipol
L/(s⋅m2floor))
(L/(s⋅person)
10
0.6
2.78
39.8
4.42
63.2
15
1.0
1.74
24.9
2.77
39.6
20
1.4
1.21
17.2
1.92
27.4
30
2.5
0.67
9.6
1.07
15.3
40
4.1
0.42
6.0
9.5
50
6.1
0.28
4.0
0.44
6.3
העלייה בשימוש באנרגיה שנגרמה עקב השיפור באיכות האוויר (ע"י הגברת שיעור אספקת האוויר מן החוץ) חושבה באמצעות הדמיות ושימוש בתוכנת DOE-2. תוצאות העלויות השנתיות עבור האנרגיה בהתבסס על דרישות ASHRAE 90.1 (1999) בשיקגו ועלויות תחזוקה ועלויות ראשוניות של HVAC (ע"י שימוש גבוה יותר ביכולות הדודים ומתקני המיזוג) בהתבסס על Eto ו-Meyer (1988) חושבו באמצעות הנתונים המופיעים בטבלה 3).
בהנחה כי מערכת ה-HVAC שומרת על השוהים בבניין במצב תרמי ניטראלי במהלך כל העונה בשלושת סוגי האקלים שנבדקו, העלייה ביצרנות המשרדית כאשר איכות האוויר משתפרת נחזתה ע"י שימוש ביחס ניסיוני שנקבע ע"י Wargocki et al. (2000b)): עלייה של 1.1% ביצרנות עבור כל ירידה של 10% באחוז אי שביעות הרצון מאיכות האוויר בזמן הכניסה לחלל הסגור. היתרונות הכלכליים של העלייה ביצרנות חושבו מתוך הנחה של משכורת לעובד לשעה העומדת על 19.4$ (משרד העבודה האמריקאי, 2000). לפיכך, עליה ב-1% ביצרנות תוביל לתועלת כלכלית של 0.194% לשעה לאדם. כל העלויות והתועלת חושבו ביחס לעלויות ולמשכורות בבניין כאשר איכות האוויר בבניין גרמה ל-50% מהנכנסים לבניין לחוש חוסר סיפוק.
טבלה 3. אומדנים עבור הגדלת העלות בעלויות אנרגיה, תחזוקה וציוד.
חיובי דרישה לקילוואט בדרישה לחשבון
12 $/kW
חיובי אנרגיה לקילוואט לשעה
0.078 $/kWh
חיובי גז טבעי למטר מעוקב
0.192 $/m3
עלויות תחזוקה שנתיות
5% מהעלות הראשונית של מערכת HVAC
עליה בעלויות הראשוניות של מערכת HVAC לכל עליה בהספק הדוד
50.3 $/kW
עליה בעלויות הראשוניות של מערכת HVAC לכל עליה בהספק מערכת הקירור
170 $/kW
תקופת ההחזר של עלויות ההשקעה חושבה כיחס של העלייה בעלות הראשונית של מערכת ה-HVAC לחיסכון השנתי והתועלת הכלכלית השנתית חושבה כתועלת הכלכלית השנתית של יצרנות מוגברת עקב שיפור ביכולת האוויר מינוס העלייה המשוערת בעלויות תחזוקה ואנרגיה שנתיות.
תוצאות
טבלה 4 מראה את העלייה המשוערת בעלות השנתית של האנרגיה והתחזוקה, העלייה בעלות הראשונית של מערכת ה-HVAC והתועלת השנתית במונחים של יצרנות גבוהה יותר. כל הנתונים הינם ביחס לעלויות ולמשכורות בבניין בו 50% מהשוהים מדווחים על אי-שביעות רצון.
בהתחשב בנתונים המופיעים בטבלה 4 תקופת ההחזר המשוערת עבור הציוד הדרוש בכדי לשפר את איכות האוויר מפורטת בתמונות 1 ו-2 כפונקציה של היקף השיפור באיכות האוויר מרמה הגורמת ל-50% מהשוהים בבניין להביע אי-שביעות רצון.
טבלה 4. עליה יחסית של עלויות ותועלת של איכות אוויר משופרת.
עלייה באיכות האוויר (% אי-שביעות רצון)
עליה בעלות הראשונית של מערכת HVAC ($/m2 לקומה)
עלייה בעלויות האנרגיה והתחזוקה השנתיות
($/m2 לקומה)
עלייה ביצרנות
מערכת VAV
מערכת CAV
LpB1
NlpB2
בניין ממוקם באקלים חם
50%→10%
26.8
31.8
27.0
33.3
3.7
4.2
2.8
3.6
114.3
50%→15%
18.7
26.7
16.4
26.9
2.7
1.7
100.1
50%→20%
14.1
20.2
10.7
18.3
2.0
2.9
1.1
1.9
85.8
50%→30%
11.7
0.9
0.3
1.8
57.2
50%→40%
0.4
0.1
0.8
28.6
בניין ממוקם באקלים מתון
15.5
22.3
5.5
8.3
1.5
2.3
9.0
3.9
5.4
10.5
3.3
0.5
4.5
3.1
0.0
בניין ממוקם באקלים קר
25.3
33.7
8.0
13.3
2.4
15.1
25.2
5.2
1.6
9.7
16.8
4.3
5.6
8.5
3.8
0.2
1LpB = בניין בעל רמת זיהום נמוכה
2 NlpB = בניין בעל רמת זיהום שאינה נמוכה
דיון
תוצאות ההדמיה מהוות תמריץ חזק לשיפור איכות האוויר במשרדים בהשוואה לדרישות המינימום המפורטות בתקנים הקיימים. העלייה השנתית ביצרנות עומדת לפחות על פי 10 מהעלייה בעלויות האנרגיה והתחזוקה (טבלה 1) ובדומה לתחזיות שנערכו ע"י Woods ו-Jamerson (1989). בשל העלייה ביצרנות, העלויות הראשוניות של מערכת HVAC הכרוכות בשיפור איכות האוויר מרמה "בינונית" הגורמת לאי שביעות רצון בקרב 50% מהאנשים לרמה "מצוינת" הגורמת ל-10% לחוש אי-שביעות רצון תוחזר ב-4 חודשים לכל המאוחר כאשר נתון זה לוקח בחשבון את העלייה בעלויות האנרגיה והתחזוקה (תמונה 1 ו-2). תקופת ההחזר ועלויות האנרגיה תהיינה נמוכות יותר בבניינים בעלי רמת זיהום נמוכה ונמוכה יותר באופן כללי בבניינים בעלי מערכת CAV בעלת מחלף חום סיבובי. כל ההשערות לעיל מבוססות על הדמיות בהן איכות האוויר משופרת ע"י הגברת שיעור זרימת האוויר מן החוץ. יש להביא בחשבון שיטות אחרות לשיפור איכות האוויר לדוגמא שימוש שיטתי בחומרים וציוד בעלי רמת זיהום נמוכה שיתכן ועלותם לא תעלה יותר בזמן התכנון של הבניין.
ההדמיות הנוכחיות התבצעו בערים אמריקאיות בהם תקני הבניה ודרישות האוורור דומים ברובם. שלושה אזורי אקלים ושתי מערכות אוורור נבחרו כך שהתוצאות שהושגו אינן מוגבלות לסוג אחד של אקלים או מערכת HVAC. המחקר בוצע על בניין משרדים בגודל בינוני אולם סביר להניח שלגודל הבניין אין השפעה משמעותית על הממצאים.
התוצאות הנוכחיות הינן אנליטיות בלבד, דהיינו,הן מבוססות על הדמיות ותלויות במערך של הנחות נתונות. ההשערות בנוגע ליצרנות המוגברת הושגו מתוצאות שהתקבלו בשלושה חללים משרדיים רגילים בהם הנחקרים ביצעו עבודות משרדיות ברמות משתנות של איכות אוויר (Wargocki et al., 2000b) וזאת מכיוון שנתונים ברי השוואה ממקומות עבודה אמיתיים אינם קיימים. יחד עם הזאת הנתונים שנאספו היו דומים לערכים שניתנו ע"י חוקרים אחרים שהעלו השערות בנוגע להשפעה של איכות אוויר משופרת בחלל סגור על יצרנות במשרד (Fisk and Rosenfeld, 1997; Dorgan et al., 1998). מחירי האנרגיה הם המחירים הישימים במקום אחד בלבד, שיקגו, על אף שעלויות האנרגיה עשויות להשתנות ממקום למקום גם בתוך ארה"ב. על אף שרמות שכר שונות ומחירי האנרגיה נלקחו ממקורות בארה"ב צפוי כי התוצאה הכללית של ניתוח עלות-תועלת תהיה ישימה לרוב המדינות האחרות בעולם המערבי.
השלכות ומסקנות
· התוצאות הנוכחיות מספקות אומדן גס בנוגע להכנסות המשוערות הנובעות משיפור איכות האוויר במשרדים ברחבי העולם המערבי והן מהוות טיעון משכנע התומך בשיפור איכות האוויר בחלל סגור לעומת הדרישות הנוכחיות של התקנים השונים.
· ניתן לצפות ליתרונות נוספים של יצרנות מוגברת עקב איכות אוויר משופרת אם עלויות היעדרות מהעבודה וימי מחלה נלקחים אף הם בחשבון.
מאמר זה נכתב ע"י יונתן רבה בעל ניסיון וידע רב בתחום החימום והקירור לחברות מפעלים גני אירועים ועוד... יתרה מכך החברה גם משכירה ומשווקת את מוצריה בעסקאות ליסינג לתקופות קצרות וארוכות במחיר לכל כיס טלפון 0508330888 בקרו באתרינו החדש : http://www.hcsystem.co.il/