Energia hatékonyság Edgar Mayer Termékmenedzser CentraLine c/o Honeywell GmbH 02 I 2009 A modern és intelligens szabályozástechnikának köszönhetően a kereskedelmi hasznosítású és iroda épületekben lehet jelentős eredményeket elérni az energia megtakarítás területén. Ebben az esetben például a klasszikus szabályozási algoritmusokat innovatív, rendkívül hatékony és energiatakarékos megoldások váltják fel. Az új módszerek nem csak kimagasló energiahatékonyságot tesznek lehetővé a komforttal szemben támasztott követelmények optimális betartása mellett, hanem garantálják a berendezések hosszabb élettartamát is, és megengedik a karbantartási ciklusok meghosszabbítását. Így például már a szabályozási paraméterek optimalizálásával akár 15%-os megtakarítás érhető el. A következőkben ismertetésre kerülnek a kiváló minőségű szabályozó berendezések alkalmazásával elérhető energia megtakarítást lényegesen befolyásoló tényezők, valamint azok a telepítésoldali optimalizálási lehetőségek, amelyek tudásalapú szabályozók alkalmazásával valósíthatók meg. Energiahatékonyság Egy épület energiahatékonysága nem csak a falak, a tető és az ablakok, valamint a szerkezet és a kivitelezés (szigetelés) hőszigetelési tulajdonságaiból, valamint azon külső felületek méretéből adódik, amelyeken keresztül a meleg, ill. a hideg távozni tud. Az energiahatékonyság fokozásának egyik lényeges tényezője az alkalmazott szabályozástechnika minősége is. A következőkben ismertetésre kerül néhány szabályozási algoritmus a fűtés- és klímarendszerek energiahatékonyságának növeléséhez.
1. Energia hatékony szabályozási funkciók Az energia hatékony szabályozó berendezések a hőfejlesztőket csak akkor indítják el, ha egy fogyasztó hőt igényel. Ez azt jelenti, hogy minden hőfogyasztó - legyen az fűtőkör, használati meleg víz készítő, szellőző berendezés vagy egyedi helyiségszabályozás - pontosan akkor küld névleges értékének megfelelő mértékű igényt a hőfejlesztőknek, ha annak használati idejében melegre van szüksége. Mivel a használati idők minden fogyasztóhoz egyedileg beállíthatók, a rendszer nem bocsát szükségtelenül meleget rendelkezésre, ami csökkenti a veszteségi teljesítményt. 1. ábra: Tipikus fűtésrendszer (A CentraLine Coach tervezőeszközével készítve) 2. Fűtőköri szabályozás A legtöbb rendszerben költség okokból csupán időjárás vezérelt előremenő hőmérséklet-szabályozással rendelkező fűtésszabályozásokat alkalmaznak. A fűtőtestek méretezése mellett a fűtési görbe beállítása is jelentősen befolyásolja az energiahatékonyságot. A fűtőtestek nagyobb teljesítménye optimalizált szabályozásnál gyorsabb felfűtést és az előremenő hőmérséklet erőteljesebb lecsökkentését teszi lehetővé. Az alacsonyabb előremenő hőmérséklet a csővezeték-veszteségek csökkenését eredményezi, amely függ a vezetékhossztól és a szigetelés minőségétől. Alacsony hőmérsékletű- és kondenzációs kazánoknál ezáltal lecsökkenthető a visszatérő hőmérséklet, ami szintén kedvező hatással van a füstgáz- és sugárzási veszteségekre, és a kondenzáció jobb kihasználását teszi lehetővé. Szabályozástechnikai szempontból fokozottan ügyelni kell a fűtési görbe beállítására. A kimeneti görbe +/- 5 K értékkel történő eltolódása +/- 19%-kal módosítja az energiafogyasztást. 1 1 Forrás - Forschungszentrum Jülich Einsparpotentiale bei der Energieversorgung von Wohngebäuden durch Informationstechnologien (Megtakarítási potenciálok lakóépületek energiaellátásakor információtechnológia alkalmazásával)
Az időjárás vezérelt előremenő hőmérséklet-szabályozás hátrányainak csökkentéséhez tehát fontos, hogy az alkalmazott szabályozástechnika lehetőleg alacsonyan tartsa az előremenő ág névleges értékét. Speciális szabályozók, például a CentraLine Tiger vagy Panther egységei mindezt a fűtési görbe automatikus adaptációjával érik el; tehát így a görbe illeszkedik az épülethez. Ráadásul az időjárás vezérelt szabályozásokkal nem lehetséges regisztrálni a napsugárzás vagy a készülékek által generált meleg hatásait, illetve a helyiségben tartózkodó emberek számát. Mindazonáltal minden ember kb. 60-100 W hőteljesítménnyel bír. Ezeket a hátrányokat csak egyedi helyiségszabályozással lehet kompenzálni. 3. Szivattyúszabályozás További megtakarításokat tesznek lehetővé az igényvezérelt fűtésszivattyúk: Sok esetben a szivattyúk a nap 24 órájában maximális fordulatszámmal működnek. Ez főként a nagyméretű, 100 kw-nál nagyobb teljesítményű töltőszivattyúknál eredményez nagy megtakarítási potenciált. Bár fagyveszélynél szükséges, hogy a szivattyúk folyamatosan működjenek, amennyiben viszont a fagyvédelmi határ felett a szivattyúk csak akkor működnek, ha ténylegesen energiára van szükség, akkor az elfogyasztott villamos energia legalább 30-60%-a megtakarítható. 4. A hőfejlesztők szabályozása Amennyiben a szabályozástechnika modernizálásának keretében a kazán felújítása is napirendre kerül, megéri kondenzációs kazánt alkalmazni. A magasabb beszerzési költségek az alacsonyabb energiaköltségek következtében néhány éven belül megtérülnek. Alternatív hőfejlesztőket, mint pl. hőszivattyúkat is figyelembe kell venni. Például az egyes szabályozási stratégiák különböző funkciókat tartalmaznak kazánok, kazánsorok hatékony szabályozására vagy alternatív és környezetbarát hőfejlesztők integrálására. Ezek csoportosítása ennek során úgy történik, hogy a környezetbarát megoldások legyenek mindig a vezető hőfejlesztők, és hagyományosakat mindig a csúcsterhelés lefedésére használják. A szabályozási stratégia gondoskodik arról, hogy mindig csak a szükséges hőteljesítmény álljon rendelkezésre, és így a hőfejlesztők maximális hatásfokkal működjenek. Ez a fogyasztók által igényelt és a hőfejlesztők által rendelkezésre bocsátott hőteljesítmények összehasonlításával érhető el. A lehetőleg hosszú működési idők és így a lehetőleg alacsony számú be- és kikapcsolási művelet által a szabályozási stratégia gondoskodik arról is, hogy a kazánok élettartama hosszabb legyen.
5. A hőfejlesztők szabályozása tudásalapú szabályozási algoritmussal Bizonyos szabályozók lehetőséget kínálnak arra is, hogy a hőfejlesztőket tudásalapú szabályozási algoritmussal szabályozzák. Ezzel a szabályozási eljárással jelentősen javíthatók a szabályozási tulajdonságok. További kazánok csak akkor kapcsolódnak be, ha ténylegesen fennáll az igény további hőforrásra. A klasszikus szempontok szerint is kiértékelt szabályozási eltérés mellett a tudásalapú szabályozó olyan fontos zavaró jellemzőket vesz figyelembe, mint a visszatérő hőmérséklet vagy a szekunder oldali tömegáram. A szabályozási szoftver modul kimenete a teljes rendszer szükséges kazánteljesítménye, amely ezután a hőfejlesztők megfelelő alapjeleit állítja be. Az alapjel beállításának jelentős részét kitevő tudásbázis adaptációja a szabályozási eltéréssel automatikusan megtörténik. A szabályozási algoritmus egy statikus optimalizáló algoritmussal rendelkezik, amely az előforduló szabályozási eltérések esetén önállóan végzi el a tudásbázishoz történő adaptációt. A szabályzó tehát öntanuló módon illeszkedik a rendszerhez, és így szükségtelenné válik a berendezés paramétereinek ráfordítás igényes beszabályozása üzembe helyezéskor. 2. ábra: Jelleggörbe-sereg. A tudásbázis kimeneti jele a két zavaró jellemző-bemenet függvényeként: Bármikor is alacsony a tömegáram vagy a hőmérsékletkülönbség, ill. az előremenő-/visszatérő ág két zavaró jellemző közül az egyik, a hőfejlesztőhöz küldött állítójel is alacsony. Amennyiben mindkét fenti zavaró jellemző maximális, akkor szintén a legmagasabb kazánteljesítmény szükséges.
A fűtésrendszerekben a tudásalapú szemlélet előnyei a következők: stabil kazánszabályozás kilengések nélkül elkerülhetők a szükségtelen be- és kikapcsolási műveletek kazánsoroknál, és így hosszabb a rendszer élettartama és megnyújthatók a karbantartási ciklusok alacsony hőmérséklet-gradiensek a kazán szerkezeti elemeinél (csökken az elhasználódás) optimális kazán-tömegáram és így optimális kazán üzemelés a névleges érték pontos tartása, amely jobb szabályozhatóságot tesz lehetővé a fűtőköri szelepnél a meleg konstans rendelkezésre állása a névleges előírt értékek szerint a fogyasztónál az energiafogyasztás csökkentése a munkapontra optimalizált beállítások és beavatkozások következtében 1 6. Szellőző berendezések hatékony szabályozása A szellőző berendezések magas energiafogyasztása gyakran a rendszer túlméretezésére vezethető vissza. A térfogatáram szükséges minimális légcserélési rátára történő csökkentésével akár a felhasznált energia 30-50%-a is megtakarítható. A hőmérséklet, a páratartalom és térfogatáram optimálisan koordinált szabályozása további 10-15%-ot takaríthat meg. 1 Forrás - Prof. Dr. Christian Rähder - Die Realisierung eines MaxXControl-Reglers für Kesselfolgeschaltungen. Optimale Betriebsführung durch bedarfsgeführte Regelung (MaxXControl-szabályozó megvalósítása kazán-követő kapcsolásokhoz. Optimális üzemelés igényvezérelt szabályozással)
3. ábra: Klasszikus klímaberendezés Hagyományos szellőző berendezésekben a hőmérséklet-, relatív páratartalomés a ventilátor fordulatszám-szabályozó (térfogatáram-szabályozó) függetlenül működik egymástól. Ezzel a kialakítással már előre be vannak programozva a lengések és az energiapazarlás. Klímaberendezések egyes komponenseinek szabályozásakor a következő problémák léphetnek fel. a hőmérséklet és a relatív páratartalom egyidejű lengése túlzott állítási mozgások zavarkompenzációkor és ezzel szükségtelen energiaráfordítás a szelepek és szivattyúk erős igénybevétele az állítási mennyiségek lengése által (pl. gyakori kapcsolások) a névleges értékek pontatlan betartása zavaró behatások mellett. A CentraLine szabályozói lehetőséget kínálnak egy olyan tudásalapú szabályozási algoritmus alkalmazására, amely megszünteti a megnevezett valamennyi hátrányt, és jelentősen hozzájárul a berendezések hatékony használatához. A tudásalapú információfeldolgozás alapgondolatát követve, a klímaszabályozóban a szükséges állítási beavatkozást nem csak a szabályozó komponens határozza meg, hanem egy olyan tudásbázis kiértékelése, amely szakértők ismeretein alapul. A tudásalapú klímaszabályozó által használt mennyiségek a klimatizálási folyamatban lemérésre kerülnek, így rendelkezésre állnak, és általában nincs szükség további érzékelőkre. A mennyiségeket a szabályozó azonban komplexebb módon értékeli ki. A szabályozó tehát tudja, hogy x állapotban az y állítási jelet kell kiadni. Ezzel a szabályozó már azelőtt reagálni tud, hogy a megváltozott helyzet hatást gyakorolt a szabályozott mennyiségre, és például az érték nem megengedett módon a névleges érték alá csökken.
A párhuzamosan működő és szükséges PI-szabályozó komponensek a tudásbázis állítási hányadához kiegészítőleg már csak korrigálóan beavatkozó funkcióval rendelkeznek. Így jelentősen lecsökken a szabályozási tartomány, ami a stabilitás és robosztusság tekintetében pozitív hatással van a szabályozó működésére. 4. ábra: Jelleggörbe sereg - szabályozó kimenet a három zavaró jellemzővel rendelkező fűtőregiszterhez X1 X2 X3 zavar, hőigény zavar, páramentesítés zavar, ventilátor-fordulatszám A rendszerkomponensek - léghevítők, léghűtők, hővisszanyerés és légcsappantyúk - igényhez igazított beavatkozó jelének meghatározásához olyan állítási szekvenciát kell létrehozni, amely teljesen kihasználja az olyan komponenseket, mint pl. hővisszanyerés vagy keverőcsappantyúk, mielőtt energetikai szempontból ráfordítás igényesebb rendszerelemekhez érezik igény. Jobb szabályozási minőség esetén a tudásalapú szabályozó által kevesebb energiára van szükség, mint a hagyományos PID-szabályzók esetében. Jó szabályozási minőség a következőkkel érhető el: gyors szabályozás csekély mértékű túllengés mérsékelt vezérlőjelek a szelepeknél (minimális amplitúdók, nyugodt állítási jellemzők) a felfűtés, hűtés, valamint párásítás és párátlanítás részfolyamatok csekély mértékben befolyásolják egymást, és így lecsökkenthetők és elkerülhetők a zavarok a szabályozó nagymértékben ellenáll a zavaró behatásoknak
a szükségtelen energiafelhasználás csökkentése a levegőkezelések optimális koordinálásával a rendszer elhasználódásának csökkentése az állítótagok mérsékelt mozgatása által. 1 7. CO2-szabályozás és hővisszanyerés 30-50%-os energia megtakarítási potenciál érhető el CO2-szabályozás alkalmazásával. Ez a szabályozás felülvezérli a külső levegő-hányadot és a térfogatáramot a ventilátorok fordulatszámával. A minimálisnál nagyobb hányadú külső levegő bekeverése tehát akkor történik, mikor a CO2 érték az alapjel fölé emelkedik 2. Nagy hatásfokú (kondenzációs kazánok használata esetén ez akár 80% is lehet) hővisszanyerés használata vagy a szabad éjszakai hűtés az energiahatékonyság további növelését eredményezheti. 8. A berendezések rendszeres felülvizsgálata és karbantartása A magas energiahatékonysági értékek elérésének fontos eleme a berendezések rendszeres karbantartása. Modern szabályozástechnika alkalmazásakor a karbantartási tervek közvetlenül beírhatók a szabályozókba. Így minden egyes kapcsolási parancshoz vagy minden meghajtóhoz definiálható egy karbantartási intervallum. A karbantartási intervallum letelte után a szabályozón karbantartási riasztás kerül kiadásra. Ez csak akkor aktiválódik, ha megegyezés született az ügyféllel, hogy rendszeres karbantartás kívánatos. A karbantartási tervek ezen leghatékonyabb alkalmazását csak az épületmanagement-technika garantálja. 1 Forrás - Prof.Dr.Christian Rähder - Energieoptimaler Betrieb durch Koordination der Luftbehandlungen (Energiaoptimalizált üzemeltetés a levegőkezelése optimalizálásával) 2 A CO2-vezérlés témához további információk a www.centraline.com/energy oldalon találhatók.
Összegzés Az alacsony energiaárak ideje már nem sokáig tart, és az árak ismét emelkedni fognak. Azonban természetvédelmi okokból is folyamatosan fokozni kell az épületek energiahatékonyságát, amit számos kormányzat ismert fel világszerte, amit épület-felújítási programok keretében követelnek meg és segítenek elő. Az épületeknél jelentkező megtakarítások optimalizált szabályozással viszonylag csekély ráfordítással elérhetők. A modern és hatékony szabályozási- és épületmanagement-technika jelentősen hozzájárul az épületek energiahatékonyságának fokozásához. A CentraLine olyan bevált és alaposan tesztelt szabályozási funkciókat kínál, amelyek megfelelnek a legmagasabb energiahatékonysági követelményeknek. Források 1-4. ábra: CentraLine Szerző: Edgar Mayer Termékmenedzser CentraLine c/o Honeywell GmbH www.centraline.com A CentraLine City részletes információkat nyújt az interneten a www.centraline.com címen. Közelebbi információkat kaphat a CentraLine-ról a +49 (0) 7031 / 637-456 információs vonalon vagy e-mailben az info-d@centraline.com levelezési c men. CentraLine Honeywell Szabályozástechnikai Kft. H-1139 Budapest Petneházy u. 2-4. Tel +36 (1) 451 4300