De hoge kost van ondermaatse HVAC-prestaties: de hoofdoorzaken

Hysopt's e-boek "De hoge kost van ondermaatse HVAC-prestaties” legde het argument uit dat:

• Prestatiekloven in gebouwen zijn een alomtegenwoordig probleem, waardoor gebouwen tot twee keer zoveel energie verbruiken als verwacht tijdens de ontwerpfase;
• Ondermaatse prestaties van HVAC-systemen zijn een belangrijke oorzaak van hiaten in de prestaties;
• De groeiende behoefte om de manier waarop gebouwen worden verwarmd koolstofarm te maken en de aanhoudende energieprijsinflatie in vergelijking met het niveau van vóór de pandemie verergeren het probleem nog verder;

In dit artikel gaan we dieper in op de drie fundamentele oorzaken die volgens het e-boek blijven bestaan als aanhoudende kloven in de prestaties van HVAC-systemen:

1. Verouderde engineering-tools — die niet langer geavanceerd genoeg zijn om het hoofd te bieden aan de toenemende complexiteit van het ontwerp en de engineering van HVAC-systemen;

2. Gaten in de communicatie — inclusief de fundamentele onderbrekingen die optreden tussen de verschillende partijen in de supply chain;

3. Ineffectieve as-built-informatie — wat leidt tot suboptimaal beheer van het systeem en operationele ondermaatse prestaties op lange termijn;

Voor professionals op het gebied van energie- of gebouwen- en landgoedbeheer is het begrijpen en aanpakken van deze problemen cruciaal voor het bereiken van optimale prestaties van het HVAC-systeem.

‍

Omgaan met de toegenomen complexiteit van HVAC systemen

Moderne HVAC-systemen worden steeds complexer, waarbij opwekkingstechnologieën zoals warmtepompen en hybride installaties steeds gevoeliger worden voor bedrijfsomstandigheden (zoals temperaturen en stroomsnelheden) om de maximaal verwachte efficiëntie te bereiken. Het combineren van nieuwe technologieën in oude installaties levert ook problemen op.

In een recent onderzoek van Hysopt heeft 86% van de energie- en vastgoedprofessionals uit de gezondheidszorg en het hoger onderwijs aangetoond dat ze doorgaans vertrouwen op de expertise van hun toeleveringsketen om advies en technische zekerheid te bieden met betrekking tot het ontwerp en de renovatie van hun HVAC-installaties.

Te veel vereenvoudiging

De technische hulpmiddelen die tegenwoordig door deze "vertrouwde adviseurs” worden gebruikt, vereenvoudigen complexe technische vraagstukken echter vaak te eenvoudig door alleen rekening te houden met de werking van het HVAC-systeem bij piekbelasting, waarbij de dynamiek van de werking van deellast, waar het systeem meestal werkt, wordt verwaarloosd. Veel ingenieursbureaus vertellen ons zelfs dat ze grotendeels afhankelijk zijn van ongelooflijk complexe Excel-spreadsheets om hun berekeningen te maken — maar met zoveel variabelen en „bewegende delen” tegenwoordig is deze aanpak niet langer voldoende.

Onzekerheid modelleren

Bovendien vereenvoudigt software voor energiemodellering, die voornamelijk wordt gebruikt voor conformiteit in vroege ontwerpfasen, het ontwerp van HVAC-systemen te eenvoudig omdat het puur een thermisch probleem is, waarbij essentiële hydraulische en regelaspecten buiten beschouwing worden gelaten. In de echte wereld reageren systemen bijvoorbeeld niet "onmiddellijk” op veranderingen in de vraag. Dit leidt tot onnauwkeurige voorspellingen en het onvermogen om het waarschijnlijke gedrag en de prestaties van verschillende systeemconcepten in de echte wereld objectief te vergelijken. Het modelleren van onzekerheid als gevolg van te grote vereenvoudiging is een factor waarnaar al wordt verwezen in TM61 van CIBSE Operationele prestaties van gebouwen als hoofdoorzaak van hiaten in de energieprestaties.

Neem bijvoorbeeld een hybride installatie van een gasboiler, een CHP en een warmtepomp. Voorspellingen voor energiemodellering zouden kunnen uitgaan van de jaarlijkse energiebijdrage van elk van hen tot "optimaal” — indien nodig gericht op de laagste energiekosten of koolstofimpact. De waarheid over wat er in het echte leven echt zal gebeuren, wordt echter grotendeels overgelaten aan veronderstellingen en de realiteit is vaak iets anders dan de verwachtingen.

De duivel zit in de details

Naast het conceptontwerp wordt het van cruciaal belang dat systeemcomponenten correct worden gespecificeerd (bijvoorbeeld pompen en regelkleppen). Specialistische hulpmiddelen van fabrikanten helpen bij de selectie van componenten, maar deze richten zich op individuele, specifieke componenttypes, waarbij de onderling verbonden aard van systemen als geheel wordt verwaarloosd, waarbij de selectie van alle hydraulische componenten onderling afhankelijk is van elkaar. Deze benadering, die vaak gebaseerd is op spreadsheets en gericht is op de vereisten voor piekbelasting, belemmert het inzicht in het holistische systeemgedrag. Met andere woorden, de ontwerper is "blind voor het hele systeembeeld”.

Overdimensioneren

Bovendien leidt dit gebrek aan kennis over de prestaties van het hele systeem tijdens de ontwerpfase tot de toevoeging van onnodige marges om het risico van onbekenden te dekken, wat leidt tot systemen die vervolgens te groot worden. Uit onderzoek van Hysopt blijkt dat traditionele benaderingen van statische belasting en vuistregels resulteren in aanzienlijke overdimensionering (50-95%, soms meer dan 200%), stijgende kapitaal- en energiekosten, terwijl het comfort van de inzittenden in gevaar wordt gebracht.

Uiteindelijk resulteren de berekeningsbeperkingen van de gebruikte softwaretools in een combinatie van te grote vereenvoudiging, veronderstellingen en te grote afmetingen, wat op zijn beurt bijdraagt tot slechte ontwerpkeuzes en systemen die al 'ingebakken' prestatiekloof hebben, nog voordat ze zelfs maar gebouwd zijn.

‍

Onderbrekingen in de supply chain overbruggen

Ten tweede doen zich problemen voor als gevolg van gebrek aan transparantie en slechte communicatie tussen de talloze verschillende belanghebbenden in de waardeketen.

Tijdens het hele proces van ontwerp, bouw, inbedrijfstelling en uitvoering ontstaan communicatieklachten als gevolg van geïsoleerd werken, verkeerd afgestemde prioriteiten en een gebrek aan consistente gegevensstroom tussen multidisciplinaire teams in de ene fase van een project en de volgende fase.

Vereisten om ontwerpen en specificaties van anderen te accepteren zonder transparantie van de gemaakte veronderstellingen, leiden tot de toevoeging van foutmarges bovenop marges voor fouten om het risico te beperken. Ondertussen verhindert inconsistentie tussen de specifieke ontwerp- en berekeningstools die in elke fase door elke stakeholder worden gebruikt, ook consistentie, transparantie en naadloze samenwerking.  

Prioriteiten op elkaar afstemmen

Niet goed op elkaar afgestemde prioriteiten tussen verschillende belanghebbenden in de levenscyclus van het HVAC-systeem kunnen ook een probleem worden. Het is onvermijdelijk dat de nadruk op de uitvoering van projecten binnen beperkte kapitaalkostenbudgetten het (vaak verborgen) gevolg is van stijgingen van de operationele energiekosten van milieuprestaties, simpelweg omdat de operationele effecten van technische keuzes die zijn gemaakt met het oog op "value engineering” niet nauwkeurig kunnen worden gekwantificeerd en in het beste geval onderhevig zijn aan schattingen en vooringenomenheid van optimisme.

In onze enquête vertelde 57% van de respondenten ons dat ze vonden dat hun toeleveringsketen niet effectief was in het communiceren van de effecten van ontwerpbeslissingen op de KPI's voor operationele prestaties.

Gaten in de interne communicatie, met name tussen operationele teams die zich richten op operationele maatstaven zoals energiekosten en (in toenemende mate) omgevingsfactoren, en teams voor kapitaalprojecten die zich voornamelijk richten op CAPEX-budgetten en leveringstermijnen, zorgen voor extra uitdagingen. Het afstemmen van prioriteiten en het bevorderen van effectieve communicatie tussen deze partijen is essentieel. Velen zeggen dat "de totale levenskosten” een belangrijke maatstaf zijn voor hun projecten (waarbij operationele kosten en investeringskosten in evenwicht worden gehouden), maar wanneer erop wordt gedrukt, geven ze toe dat het kwantificeren van de operationele kostenimpact van een voorgestelde CAPEX-besparing vaak onmogelijk met zekerheid te voorspellen is.

Bovendien stellen we vaak dat risico's van operationele ondermaatse prestaties worden gecompenseerd door ontwerp- en bouwcontracten. Hoewel dit netjes verschuift naar de verantwoordelijkheidslast en de ontwerp- en installatiefasen, krijgen operationele teams nog steeds te maken met systemen die niet werken zoals oorspronkelijk verwacht en moeten ze vervolgens met de gevolgen omgaan. Regelingen voor zachte landingen kunnen dit probleem enigszins verminderen, maar zonder de juiste instrumenten om het "volledige systeembeeld” te begrijpen, zijn aannemers en consultants niet in staat om gemakkelijk de hoofdoorzaken van de ondermaatse prestaties vast te stellen.

‍

Ineffectieve as-built informatie — verder dan de blueprint

De gesegmenteerde disciplines van architecten, bouwingenieurs, aannemers en hun onderaannemers zijn vaak allemaal betrokken bij verschillende fasen van het ontwikkelingsproces van een gebouw, maar vertrekken zodra het gebouw fysiek voltooid is. De eindgebruikers bezetten vervolgens een gebouw dat mogelijk ondermaats presteert om redenen die ze waarschijnlijk niet volledig zullen begrijpen.

Traditioneel is de informatie over de HVAC-installatie die wordt verstrekt meestal gericht op details van de fysieke activa (waaronder gegevensbladen, P&ID's, DesOp's en commissioningrapporten, enz.), maar meestal zijn deze op papier (of een andere statische digitale vorm). Zelfs een BIM-model is slechts statisch. Hoewel deze bestanden een indicatie geven van hoe de "as-built” installatie eruitziet, worden er geen details gegeven over hoe het systeem zou moeten of zal presteren.  

Het zou bijvoorbeeld mogelijk moeten zijn om te weten hoe de installatie in gebruik is genomen, maar dit vertelt ons niet of de installatie in de eerste plaats correct in gebruik is genomen of voor optimale prestaties!

Systemen worden in de loop van de tijd ook geüpgraded en uitgebreid, vooral in grote, complexe installaties. Maar toch heeft niemand een duidelijk idee welke gevolgen het hebben van toevoegingen of het toevoegen van extra capaciteit aan de installatie op de prestaties van wat er al is.

Ten slotte wordt vanuit het BIM-model informatie doorgestuurd naar de CAFM-systemen (computer aided facility management), maar dit bevat geen informatie over hoe de installatie correct in bedrijf moet worden gesteld of zelfs of de geselecteerde componenten juist zijn gespecificeerd — omdat er geen link is naar een rekenmodel op systeemniveau. Componenten worden na verloop van tijd vervangen als onderdeel van preventief of responsief onderhoud, maar nogmaals, zonder enige overweging of kennis van de invloed die dit zal hebben op de algehele systeemprestaties.

Prestaties van het hele systeem

Zelfs als een optimaal presterend HVAC-systeem wordt overgedragen, beginnen de prestaties van het systeem na verloop van tijd af te nemen omdat sommige componenten beginnen te falen (pompen blokkeren, kleppen breken, enz.) of door de tussenkomst van de gebruiker worden de klepinstellingen, de GBS-instellingen enzovoort aangepast.

Meestal kunnen dit interventies zijn om comfortklachten te corrigeren. De oorzaak van het probleem is echter zeer moeilijk vast te stellen omdat er onvoldoende documentatie is en er geen duidelijk inzicht is in hoe het systeem echt werkt. Dit leidt tot veel vallen en opstaan om problemen op te lossen, wat de problemen vaak alleen maar erger maakt en alleen de symptomen worden aangepakt in plaats van de hoofdoorzaken.

‍

Conclusie

Het aanpakken van de onderliggende oorzaken van prestatieverschillen in HVAC-systemen is cruciaal voor professionals op het gebied van energie- of gebouwen- en landgoedbeheer. Ervoor zorgen dat hun "deskundige” toeleveringsketen gebruikmaakt van adequate en actuele technische hulpmiddelen; het bevorderen van effectieve communicatie tussen multidisciplinaire teams; en het verbeteren van de kwaliteit van de as-built informatie die wordt gebruikt om systemen op lange termijn te bedienen en te onderhouden, zijn allemaal cruciale stappen om optimale prestaties van het HVAC-systeem te bereiken.

HVAC Digital Twins bieden natuurlijk zo'n oplossing.

Ze pakken het eerste probleem aan door innovatieve technische hulpmiddelen te bieden die in staat zijn om geavanceerde computationele analyses uit te voeren zodat alle deelnemers aan het project het systeemontwerp in elke fase kunnen optimaliseren en aanpassen. Met behulp van wetenschappelijk gebaseerde analyses kunnen gedetailleerde inzichten over hoe zelfs de meest complexe systeemconfiguraties zullen presteren, worden gesimuleerd en geoptimaliseerd voordat ze zelfs maar worden gebouwd.

Op deze manier worden engineering en prestaties verschoven van een benadering op "componentniveau” naar een benadering op "systeemniveau”.

Naadloze communicatie wordt mogelijk gemaakt tussen alle partijen in de engineeringsketen, waardoor samenwerking wordt bevorderd, silo's worden doorbroken en realtime gegevensuitwisseling mogelijk wordt gemaakt.

Teams kunnen tegelijkertijd aan één model werken, waardoor conflicten worden verminderd, de efficiëntie van projecten wordt verbeterd en het risico op prestatiekorten tot een minimum wordt beperkt.

En tot slot wordt de Digital Twin van de uiteindelijke as-built-installatie een digitaal bezit voor het volledige levenscyclusbeheer van de installatie gedurende de hele operationele fase, waarbij niet alleen de fysieke installatie wordt weergegeven, maar ook de prestaties, het onderhoud en de werking ervan.

Dit ondersteunt een effectiever facilitair beheer en activabeheer en zorgt ervoor dat de installatie gedurende de hele operationele levensduur optimaal kan blijven presteren.