הגדרת צריכת אנרגיה באפיון

כתב: אילן מורג (2021) www.donagsys.com

הגדרת צריכת אנרגיה באפיון נדרשת עבור מתכנני החשמל והמיזוג. המאפיין צריך לרכז את צריכות האנרגיה של הפריטים השונים שהוא מאפיין, את חיבור החשמל הדרוש לאותו פריט, ואת החום שהוא פולט כדי שאפשר יהיה להגדיר עבור הפרויקט את גודל מערכות החשמל ומיזוג האוויר.

איך מגדירים צריכת אנרגיה של פריט (מקרר, תנור, מכונה, מחשב)? הנטייה הטבעית ביותר היא ללכת למכשיר ולבדוק מה כתוב עליו, הנה כמה דוגמאות:

אלו תוויות מוצר שהנתונים בהם ברורים – במתח 230-240V צריכת האנרגיה היא 130W (בתווית העליונה) או 1850-2000W בתווית דוגמא שמתחת.

לפעמים התמונה לא כ"כ פשוטה ונצטרך קצת לחזור אחורה להסברים בפרקים הקודמים, בדוגמא שצלמתי של אחת המכונות במפעל שאפיינו לא כתובה צריכת אנרגיה ב Watt אלא הגדרת הזרם Volt והגדרת ההספק Ampere:

380V / 45 A

במקרה הזה המתח הוא תלת פאזי - 3Ph (תקני בישראל 380V) ועל כן, כדי לחשב את צריכת האנרגיה ב Watt צריך להכפיל Volt כפול Ampere, כלומר 380 כפול 45 שווה ל 17,100W או 17.1 KW. לא נכנס בשלב הזה להסבר על חשמל תלת פאזי רק חשוב לדעת שהעיקרון של החשבון זהה - וולט כפול אמפר שווה לצריכה ב וואט, להסבר על חשמל תלת פאזי נחזור בפרק שעוסק בהגדרת שקעי החשמל ובעוד מאמרים. חשוב לשים לב שבתווית של המכונה הזו הנתון נלקח מהגדרת הכניסה Input Power של החשמל ולא היציאה.

תוויות מהסוג המציין יעילות אנרגטית של מכשירים לבית (מקרר, מזגן) הם תוויות שלא ניתן להפיק מהם תועלת לצורך האפיון. לא ניתן לדעת מה הצריכה בפועל של המכשיר כדי לחשב את האנרגיה מתווית כזו והיא נועדה לצרכי השוואת יעילות המוצר ביחס למוצרים דומים.

בפריטים שלא ניתן למצוא עליהם תווית אנרגיה, אפשר לחפש את דף היצרן (Datasheet), בזמנים האלו הכול זמין באינטרנט ובהחלט תוכלו למצוא עבור כמעט כל מכשיר דף יצרן. מציאת ההספק בדפי יצרן לעיתים לא קלה ומסתתרת בין המון נתונים ובד"כ כוללת מספר דגמים שונים. הדוגמא הבאה היא דוגמא קלאסית לטבלת נתונים בדף יצרן הכוללת מספר דגמים והמון נתונים שצריך לברור מהם את הנתון הנכון.

זה כבר נראה כמעט ברור אבל למה שני נתונים לאותו ערך? מה ההבדל בין 1.4 ל 1.7 KW? ההבדל הוא במתח שהמנוע יעבוד בו – 50Hz מציין (קצת בעקיפין) שהכוונה למתח 230V כמו בישראל ואילו 60Hz מציין שהמתח יהיה 110V כמו המתח המקובל בארה"ב. בדוגמא לעיל הנתון הנכון יהיה 1.4KW שזה 1400W.

עוד נחזור לדפי יצרן בנושאים אחרים מכוון שהם מכילים נתונים נוספים חשובים באפיון כמו משקל המוצר, מידת הרעש שהוא עושה, גודל פיזי ולפעמים נתונים אחרים ייחודיים כמו לחץ אוויר שנדרש למכונה וכד'.

המלצה, קחו בחשבון שאפיונים שבהם יש הרבה מכונות או ציוד אחר שצריך עבורו לחפש דפי יצרן זה לוקח זמן, הרבה זמן. החיפוש מתיש ומציאת הנתונים לעיתים קשה לביצוע. שימרו על קבצי ה PDF שאתם מורדים בספריה מסודרת תצטרכו אותם לאורך הפרויקט להוצאת נתונים נוספים.

לאחר איסוף הנתונים אפשר להגיע לשלב של עיבוד הנתונים. להזין את כל הנתונים לטבלה המגדירה את המוצר (תיאור המוצר), המתח שבו הוא עובד (AC או DC), האם נדרש עבור המוצר גיבוי של מערכת אל פסק וההספק המוגדר למוצר. כך נקבל סיכום של כל צריכות האנרגיה לפי סוג המתח (על מתח DC נדבר במאמר אחר, הוא לא נפוץ במיוחד וייחודי לחלק מהפרויקטים). זה נראה פשוט, אבל זה לא הכול. על המאפיין להגדיר גם את מידת השימוש במוצר, כלומר האם המוצר צורך את מלוא האנרגיה שלו כל הזמן או שנכון להגדיר לו מקדם לחישוב השימוש במוצר.

נקודות העבודה בכל תכנון מערכת חשמל היא שלא כל הצרכנים צורכים את מירב העומס בו"ז (בו זמנית), כמו בבית פרטי שבו לא מפעילים את הדוד, מכונות הכביסה, מדיח הכלים, כל המזגנים וכל התאורה בו"ז ועל כן לוקחים מקדם כלשהו להגדיר את גודל החיבור לבית. בבית משותף לוקחים על מקדם הדירה ואת מקדם הבית המשותף (לא כל הדיירים בבית משותף של 60 דירות נמצאים ומפעילים את אותם מכשירים) וכך הלאה בשכונה ובעיר.

הגדרת מקדם בו"ז נמוך מידי עשוי לגרום לבעיות בהספקת הזרם במקרה של עומס (לא יהיה מספיק חשמל לכולם) ואילו הגדרת מקדם בו"ז גבוהה מידי יגרום לבזבוז משאבים כספיים עבור מקורות האנרגיה (תחנות הכוח / גנראטורים / מערכות אל פסק), חיבורים גדולים מידי (כבילה ולוחות חשמל) שטחי רצפה עבור המערכות, מערכות מיזוג אוויר גדולות מהנדרש והכל מתבטא בסוף בעלויות הקמה גבוהות וגם בעלויות תחזוקה גבוהות. הבעיה זה למצוא את האיזון הנכון.

נתון נוסף שיש לקחת בחשבון בהגדרת מקדם בו"ז הוא הצריכה בפועל של המוצר לעומת המצוין בתווית. כמה דוגמאות כדי להמחיש:

מכונת כביסה בבית כוללת מנוע שמסובב את התוף, גוף חימום לחימום המים לפי תוכנית הכביסה, משאבת מים ומערכת פיקוד, כול הרכיבים צורכים חשמל, אבל האם כולם עובדים כל הזמן? אפשר לראות את דף היצרן של מכונת הכביסה ואפשר למצוא שצריכת האנרגיה של המכונה - 10 אמפר במתח 230 וולט, זוכרים את החשבון? כאן הוא פשוט 230 כפול 10, המכונה צורכת 2300W. בפעול כשהמכונה עובדת רוב הזמן רק המנוע עובד. המשאבה מכניסה מים בהתחלה, גוף החימום מחמם ורק כשהמים חמים המנוע נכנס לפעולה. נמצא שבממוצע בפעולה של מהלך כביסה אחת צריכה האנרגיה לא מתקרבת אפילו להגדרת היצרן והיא לא יותר מ 500W בממוצע. אם נוסיף על זה שמכונת כביסה בבית עובדת בממוצע עמוס 10 שעות בשבוע (נניח שיש לכם 4 ילדים בבית) נוכל להגדיר את מקדם בו זמניות השימוש כ 0.1 – כלומר לצורך חישוב העומס הממוצע של הבית אפשר להגיד שמוכנת הכביסה צורכת 230W.

דוגמא אופיינת נוספת לחישוב שאינו תואם את הגדרות היצרן הם מחשבים. במחשב ביתי סטנדרטי תמצאו תווית יצרן המגדירה את ההספק של ספק המתח של המחשב, גזרתי מאחד האתרים את השורה המגדירה את צריכת המתח של המחשב

זוהי צריכת האנרגיה המקסימלית של ספק המתח של המחשב, היצרן לא נותן את חישוב ההספק של המחשב בפועל אלא של הצריכה המקסימלית של הספק. בפועל אם תמדדו כמה צורך המחשב שלכם תגלו שזה לא יותר מ 50% מהמוגדר.

ברוב הקונפיגורציות שתרכשו את המחשב צריכת האנרגיה נמוכה משמעותית מהיכולת של הספק המותקן במחשב וזאת על מנת לאפשר להתקין עוד דיסק קשיח, כרטיס מסך מתקדם יותר או תוספת זיכרונות בלי שתצטרכו להחליף את הספק. בנוסף על כך גם במחשב בדומה לדוגמא של מכונת הכביסה, לא כל רכיבי המחשב עובדים באופן מלא כל הזמן. המעבד שלכם לא עובד באופן מלא ברוב הזמן (והוא אחד הצרכנים הכבדים של אנרגיה במחשב) הדיסק הקשיח בד"כ נח וכרטיס הרשת שלכם עובד יותר כשאתם גולשים באינטרנט אבל כמעט לא צורך אנרגיה כשאתם כותבים מסמך. זו תמונה שגזרתי ממש עכשיו מתמונת ניצול היכולות במחשב שלי – מין הסתם זה משפיע על צריכת האנרגיה: המעבד (CPU) עובד ב 3% מההספק שלו, הזיכרון 37% והדיסק הקשיח 0% - כלומר עכשיו הוא נח - לא מתבצעת בו כתיבה או קריאה.

כמו שאפשר לראות בהקלדת מסמך ב WORD צריכת האנרגיה של המחשב שלי מאד נמוכה. באפיון נהוג לחשב במקומות עמוסים (חמ"לים, בתי חולים) את מקדם הבו"ז של מחשבים כ 0.6 ואפשר גם לרדת ל 0.5 או אפילו פחות במקומות כמו משרדים.

כמה דוגמאות נוספות, הפעם בקצרה:

• גופי חימום (דוד חשמל, טוסטר משולשים, תנור ספרילה) צורכים בפועל כמו שכתוב על התווית וצריך לקחת את חישוב הבו"ז רק לפי זמן השימוש הממוצע של הרכיב באתר שאתם מאפיינים.

• מכונה שיש לה מנוע חשמלי צורכת הרבה לזמן קצר מאד בהתנעה ואח"כ הצריכה היא בהתאם לעומס המופעל על המנוע. יש לי בבית מלטשת סרט (בנגריה שלי), הלחץ שאני מפעיל על הסרט משפיע באופן ישיר על צריכת האנרגיה של המכונה. מתוך סקרנות הרכבתי פעם מד זרם על המכונה ובדקתי לאורך זמן עד כמה אני מאמץ את המכונה גם מתוך כוונה לשמור עליה. מד הזרם התקלקל כבר לפני שנים (נסתם באבק הנסורת) והמכונה עדיין עובדת כבר 35 שנה.

אלו הידיים שלי בתמונה

לאחרונה אפיינתי עבור מפעל גדול במרכז הארץ חדר שרתים חדש וגדול (כ 85 מסדים) , מייד שהחל הפרויקט כמנוסה בעניין פניתי למנהל הפרויקט ובקשתי לקיים דיון על מקדמי הבו"ז של מסדי השרתים והתקשורת שיוגדרו באפיון. לצערי הנושא לא סוכם בזמן מכוון שהלקוח (המשתמש) התעקש על מספר גבוה (מקדם 0.7) , אני המלצתי על 0.6 והנושא נשאר פתוח. לאורך האפיון הלקוח הוסיף עוד מסדים לתכולה ונפח המבנה גדל. עד כדי כך גדל שבסוף האפיון היה ברור שלא ניתן יהיה לבנות את הפרויקט בלי לחבר קו חשמל חדש למפעל (יקר מאד), להקים שנאי חדש ולקנות גנראטור בגודל של אוטובוס מפרקי. ממש לפי תחילת התכנון ביקש ממני מנהל הפרויקט לכתוב מסמך עמדה בנושא כדי לנער את ההנהלה (שהייתה מעט רדומה) לקבל החלטות.

אני מצטט כמה פסקאות מתוך המסמך שחיברתי כדי להמחיש את חשיבות הגדרות מקדם הבו"ז של הרכיבים בפרויקטים שהם עתירי אנרגיה:

מה נקודות האיזון הנכונה של הגדרת מקדם בו"ז במתקן Data Center? שאלת המיליון דולר... וכאן זה באמת מיליון דולר לכאן או לכאן. בד"כ המשתמשים רוצים כמה שיותר גבוה כדי שיהיה בטוח ושלא יחסר. בעלי התקציב (ההנהלה) רוצים נכון אבל פחות כדי שיעמוד בתקציב, אז מה נכון? בפועל לאורך השנים כשבודקים מתקני תקשורת תמיד חסר בסוף, מגיעים לקצה. השאלה מתי? האם נכון היום להשקיע ברכש, בבנייה, בכבילה, בשנאים וחיבורי חשמל כדי שלא יחסר בעוד 20 שנה? ההשקעות עצומות ולפעמים במתקנים גדולים מפילים פרויקט. לעיתים מעבר לסף מסוים נדרש להשקיע הרבה בתשתית ההיקפית; התקנת שנאי נוסף, הגדלת חיבור מול חברת חשמל וגנראטור נוסף על מנת להגיע לתוצאה המבוקשת.

בפועל כשבודקים מתקני Data Center שהוקמו בשנים האחרונות מוצאים כי קיים פער גדול בין הדרישה המקורית הגבוהה לצריכה בפועל שהיא נמוכה בערך ב 50% מהצפי. הסיבה היא שלא כל המבנה מאויש ביום הפתיחה ובתקופה שלאחריה (לעיתים כמה שנים) במלוא הציוד. סיבה שניה היא, שלאורך תקופת הבנייה מגלים שצריכות האנרגיה של אותה יכולת מחשוב ירדה.

מנגד, אחרי תקופה מעמיסים על החדר עוד ועוד צרכנים חדשים שבכלל לא היו חלק מהאפיון והתכנון, הרכיבים צורכי האנרגיה הנמוכה גם מתכווצים בגודל ואז יש יותר מקום במסדים ויותר מקום תמיד נתפס ע"י ציוד חדש. התוצאה היא שדרישות האנרגיה גדלות ואז מגיעה הנקודה שבה כבר אין מספיק אנרגיה (חשמל ומיזוג)...

... כשפרויקט האפיון יצא לדרך הדילמה הייתה האם להגדיר מקדם 0.7 (דרישת המשתמשים) או 0.6 עפ"י ההמלצה שלי כפי שמקובל בד"כ בחדרי שרתים בתכנון חדש (כולל גידול עתידי). כמות האנרגיה גם במקדם 0.6 (580KW) ועל אחת כמה וכמה ב 0.7 (676KW) חרגה מהיכולת לממש את הפרויקט (גם כי לאורך הדרך נוספו תכולות חדשות). חשוב להדגיש כי כמות האנרגיה המוגדרת באפיון אינה כוללת את האנרגיה הדרושה למערכות מיזוג האוויר והערכה הייתה כי סך האנרגיה של המבנה תעבור עפ"י תחשיבים אלו את ה 1.1MW, וזה המון...

... סיכום והמלצה – ממליץ לתכנון בשלב הזה עם מקדם 0.4 ומבנה מודולרי אם אכן יש טעות ומקדם 0.4 לא יספיק הדבר יתברר למיטב הבנתי מתוך כל ההתכתבויות והדיונים כ 5-10 שנים אחרי שנסיים לבנות, כך שיש זמן להחליט על הרחבות בהמשך. בנייה של מבנה מודולארי שיאפשר הרחבה (של חשמל ומיזוג) מצריך תכנון קפדני ונכון שיאפשר את זה (צריך להשקיע בתכנון). בניית מבנה מודולרי ייתן לדעתי מענה משוקלל גם לצורך בגידול עתידי וגם לצורך לעמוד בתקציב ראלי בשלב הזה.

סיכום: הגדרת צריכות האנרגיה של המבנה שמאפיינים הוא מפתח להצלחת הפרויקט כך שהתוצאה תהיה מבנה אמין באספקת החשמל והמיזוג מצד אחד וניצול נכון של משאבים מהצד השני.

כדי לאפיין צריכת אנרגיה של פריט שמגדרים בפרויקט צריך למצוא את הגדרות היצרן לצריכת האנרגיה (תווית או דף יצרן), לחשב את מקדם הבו"ז שכולל את צריכת האנרגיה בפועל ומקדם השימוש באותו פריט ולהגדיר עבור הפריט את סוג המתח שהוא צורך (AC, DC, UPS).

כך נראית טבלת הגדרת רכיבים הכולל הגדרות חשמל לרכיבים שיש להם צריכת אנרגיה. שימו לב להגדרת המתח, צריכת האנרגיה ומקדם הבו"ז (הכמות מסכמת את כמות הפריטים מאותו הסוג שהוגדרו בפרויקט).

וכך מוצגת טבלת סיכום של צריכות אנרגיה לפרויקט (סיכום לפי בניין):