Poszanowanie zu¿ycia energii
advertisement
Dr inż. Sławomir Kowalczyk Mgr inż. Andrzej Nowosad Poszanowanie zużycia energii Wstęp Wdrożenie procesu poszanowania zużycia energii, zazwyczaj poprzedzone jest analizą możliwości technicznych zarówno tych rozwiązań już funkcjonujących, które po najczęściej drobnych – mało zaawansowanych przeróbkach technicznych są wykorzystywane w kolejnych aplikacjach wychodzących naprzeciw szeroko rozumianemu poszanowaniu energii, jak i zastosowanie zupełnie innych niż dotychczas spotykanych rozwiązań, z czym wiąże się najczęściej zmiana technologii, urządzeń i dotychczasowo wykorzystywanych metod oceny produkcji i monitorowania zużycia energii. Stawiane wysokie wymagania układom regulacji, nakładają na projektantów konieczność poszukiwania takich rozwiązań, które przy wykorzystaniu istniejących rozwiązań technologicznych w drodze głębokiej identyfikacji zagadnień problemowych, pozwolą na wdrożenie rozwiązań szczegółowych. Takim szczegółowym rozwiązaniem jest regulacja temperatury w obiekcie obiegu centralnego ogrzewania i obiekcie obiegu ciepłej wody użytkowej przy jednoczesnym wykorzystaniu istniejących instalacji hydraulicznych i związanych z nią elementów automatyki bezpośredniej. Takie rozwiązanie niewątpliwie stanowi zaletę ponieważ zbudowane jest na bazie urządzeń i instalacji już funkcjonujących. Koniecznym uzupełnieniem technicznych rozwiązań hydraulicznych jest stosowanie urządzeń decyzyjnych odpowiedzialnych przede wszystkim za poprawność przebiegu procesu regulacji i sposobu prowadzenia regulacji. Zmianę sposobu prowadzenia regulacji łatwo można uzyskać poprzez zastosowanie urządzeń programowalnych, co pozwala na łatwe modyfikowanie i implementowanie algorytmów sterowania poprzez wprowadzanie kolejnych iteracji mających na celu uzyskanie akceptowalnego finalnego algorytmu sterowania, ocenianego za właściwy według wcześniej przyjętych kryteriów oceny. W opisywanych rozwiązaniach jako urządzenie decyzyjne zastosowano sterownik programowalny SP1. Sterownik SP1 w podstawowej konfiguracji wyposażony jest w temperaturowe wejścia analogowe, wejścia cyfrowe i impulsowe, wyjścia przekaźnikowe i analogowe, oraz niezależne dwa porty komunikacyjne. W proponowanych rozwiązaniach SP1 pracuje pod nadzorem systemu Lumel-Ciepło, który monitoruje i prezentuje zgodnie z oczekiwaniami użytkownika, kluczowe dla zagadnienia zużycia energii parametry. Badanymi i analizowanymi obiektami były dwa niezależne układy: centralnego ogrzewania –c.o., oraz ciepłej wody użytkowej – c.w.u. CWU. Obiekt ciepłej wody użytkowej. Ciepła woda – ale jaka? Ciepła woda użytkowa stanowi bardzo ważny element w życiu codziennym każdego człowieka, tak w miejscu zamieszkania jak i w miejscu pracy. Parametry określające konsumpcję ciepłej wody jak wielkość zużycia, częstotliwość i czas rozbioru są zależne od charakteru użytkowania obiektu. Inne wartości uzyskuje się dla obiektów mieszkalnych, szkół czy instytucji użyteczności publicznej. Aby odbiorca w każdej chwili miał możliwość korzystania z ciepłej wody przy wymaganych, odpowiednich parametrach, bez oczekiwania po odkręceniu kranu aż woda dopłynie z węzła ciepłowniczego do jego baterii, należy zapewnić ciągłą cyrkulację wody znajdującej się w instalacji hydraulicznej obiektu ciepłej wody użytkowej. Rozległość układu doprowadzania i cyrkulacji, a także stopień izolowania przewodów oraz temperatura wody krążącej w układzie mają jednak bardzo istotny wpływ na wielkość nieuniknionych strat energii. Miejskie Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej w Chełmie Sp. z o. o. podejmuje szereg działań w celu jak najlepszego zarówno wykorzystania ciepła, jak też zmniejszenia strat na jego przesyle i wymianie. W październiku 2003 roku w dwóch węzłach ciepłowniczych przedsiębiorstwa zastosowano eksperymentalny układ zaproponowany przez inż. A. Nowosada zmniejszający wartość zadaną temperatury wyjściowej cwu w normalnych warunkach rozbioru, do obniżonej wartości zadanej temperatury ciepłej wody podczas braku rozbioru. Jednym z wytypowanych do przetestowania układu obiektów był węzeł ciepłowniczy W - 009 wybudowany dla potrzeb Zespołu Szkół Ogólnokształcących nr 2 usytuowany w budynku szkolnym. Zespół szkół należy do odbiorców użytkujących cwu w czasie dnia. W godzinach wieczornych i nocnych rozbiór całkowicie ustaje. Układ przewiduje zmniejszenie wartości zadanej temperatury cwu z 49 ºC w normalnych warunkach rozbioru do 36 ºC w okresie braku rozbioru, oraz powrót do temperatury zadanej 49 ºC natychmiast po zaistnieniu rozbioru. Elementem sygnalizującym rozbiór cwu jest wodomierz z wyjściem impulsowym zamontowany na przewodzie doprowadzającym zimną wodę do wymiennika. Zastosowanie wodomierza z wyjściem impulsowym pozwala precyzyjnie określić moment faktycznego rozbioru jak i braku rozbioru i obniżyć w czasie jego trwania temperaturę zasilania cwu. W momencie pojawienia się rozbioru impulsy z wodomierza przesyłane są do urządzenia regulacyjnego powodując natychmiastowy powrót temperatury zasilania cwu z wartości 36 ºC do wartości wymaganej w warunkach rozbioru czyli 49 ºC. Urządzeniem decyzyjnym w układzie regulacji cwu jest sterownik SP1 firmy Lumel S.A. Inżynierowie firmy Lumel, w oparciu o sugestie inż. A. Nowosada, zaimplementowali w sterowniku algorytm umożliwiający właściwą pracę eksperymentalnego układu zarówno pod względem właściwej regulacji temperatury cwu jak i pracy członu obniżającego temperaturę. Sterownik został włączony do zbudowanego na urządzeniach firmy Lumel S.A. i na bazie programu Lumel – Ciepło, układu wizualizacji miejskiego systemu ciepłowniczego. Schemat technologiczny rozwiązania przedstawia rysunek 1. Rysunek 1 Schemat technologiczny węzła cieplnego. Zaimplementowany w sterowniku SP1 algorytm regulacji ciepłej wody użytkowej polegał na przełączaniu wartości zadanej ciepłej wody użytkowej z 49 ºC na 36 ºC z programowalnym opóźnieniem. Obie wartości temperatury zadanej ciepłej wody użytkowej również są wartościami programowalnymi. Technicznie, rozwiązanie polegało na połączeniu wyjścia impulsowego wodomierza z wejściem impulsowym sterownika. W momencie pojawienia się na wejściu sterownika SP1 impulsów w wodomierza, następowało ustawienie temperatury zadanej na 49 ºC i dalej prowadzenie regulacji do osiągnięcia wyjściowej temperatury ciepłej wody użytkowej równej temperaturze wartości zadanej. W przypadku braku impulsów z wodomierza, po ustawionym czasie opóźnienia sterownik SP1 automatycznie obniżał wartość zadaną ciepłej wody na 36 ºC. Zastosowanie eksperymentalnego rozwiązania w zakresie dostarczania cwu pozwoliło na zmniejszanie strat na cyrkulację nie tylko w godzinach nocnych, ale także w okresach braku rozbioru w ciągu dnia jak i w dni wolne od pracy (gdy nikt nie korzysta z ciepłej wody). W celu przeprowadzenia analizy pracy układu porównano zużycie energii cieplnej i wody wodociągowej w miesiącach: listopad i grudzień z lat 2003 i 2004. W listopadzie 2003 r na potrzeby cwu w tym obiekcie zużyto 116,11 GJ (całkowity czas pomiaru 672 h), w tym 43,7 GJ w okresach bez rozbioru (320 h). Po zastosowaniu układu obniżenia temperatury w listopadzie 2004 roku dla potrzeb cwu zużyto 93,76 GJ (całkowity czas pomiaru 792 h), w tym 9,6 GJ w okresach bez rozbioru (387 h). Praca układu spowodowała zmniejszenie strat w okresie bez rozbioru o 32 GJ w porównaniu do roku 2003. W grudniu 2003 roku dla potrzeb cwu zużyto 128,75 GJ (całkowity czas pomiaru 759 h), w tym 61,8 GJ w okresach bez rozbioru (484 h). Po zastosowaniu układu obniżenia temperatury w grudniu 2004 roku dla potrzeb cwu zużyto 82,78 GJ (całkowity czas pomiaru 755 h), w tym 6,5 GJ w okresach bez rozbioru (282 h). Praca układu spowodowała zmniejszenie strat w okresach bez rozbioru o 30 GJ w porównaniu do analogicznego miesiąca roku 2003. Do obliczeń bilansu energetycznego wykorzystano zarchiwizowane dane z licznika ciepła LQM2_U (pomiar energii dla cwu), wskazania liczydła wodomierza, oraz zarchiwizowane w programie Lumel-Ciepło wartości zmiennych ze sterownika SP1. Założono przy tym, że sprawność energetyczna zastosowanego wymiennika ciepła jest wystarczająco duża, a szybkość wymiany ciepła wystarczająco krótka, aby użytkownik nie zauważył obniżenia wartości zadanej ciepłej wody użytkowej. CO. Obiekt centralnego ogrzewania . Ograniczać czy nie? Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 6 października 1998r w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz zasad rozliczeń w obrocie ciepłem, w tym rozliczeń z indywidualnymi odbiorcami w lokalach (Dz.U.Nr 132, poz 867 art32.3) „Sprawdzenie dotrzymywania przez sprzedawcę standardów jakościowych obsługi odbiorców i dotrzymywania przez odbiorcę warunków umowy jest dokonywane na podstawie średniego natężenia przepływu i temperatury nośnika ciepła: 1. W okresie doby – gdy nośnikiem ciepła jest woda, 2. W ciągu godziny – gdy nośnikiem ciepła jest para.” Realizację ograniczenia poboru mocy przed przekroczeniem zadeklarowanego limitu również zrealizowano w oparciu o sterownik SP1, który bezpośrednio współpracuje z licznikami ciepła różnych producentów. W tym celu jeden z portów sterownika został połączony bezpośrednio z cyfrowym wyjściem transmisyjnym zastosowanego licznika ciepła. Sterownik w zadeklarowanych interwałach czasowych odczytuje potrzebne do realizacji funkcji ograniczenia mocy dane jak: moc, moc chwilową, energię i inne. W sterowniku zaimplementowany został taki algorytm, który oprócz regulacji pogodowej prowadzi regulację ograniczenie poboru mocy. Funkcja ograniczenia mocy jest realizowana nadrzędnie w stosunku do funkcji regulacji pogodowej. Realizację funkcji ograniczenia mocy w obwodzie centralnego ogrzewania ilustruje rysunek 2. moc rzeczywista moc z ciepłomierza hist czas ograniczanie mocy aktywne wyłączone czas Rysunek 2 Realizacja funkcji ograniczenia mocy. Realizacja algorytmu ograniczenia mocy pobieranej polega na proporcjonalnym zamykaniu zaworu umiejscowionego na zasilaniu obiektu centralnego ogrzewania, do wartości przekroczenia zadeklarowanego limitu poboru mocy, podczas wykonywania algorytmu roboczego jakim w tym wypadku jest funkcja regulacji pogodowej. Limit poboru mocy jest deklarowany przez użytkownika i wprowadzany z klawiatury sterownika. Z uwagi na to, że ciepłomierz jest urządzeniem zasilanym bateryjne, odczyt wartości koniecznych wielkości potrzebnych do realizacji funkcji ograniczenia mocy jest dokonywany co 15 minut i z takim też czasem uaktualniane są parametry algorytmu ograniczenia mocy. Założono że jeżeli rozliczenie między dostawcą a odbiorcą dokonywane jest w okresie doby, natomiast funkcja ograniczenia mocy jest realizowana w sposób ciągły, to dostarczanie danych z ciepłomierza z 15-minutowym interwale czasowym jest dostatecznie wystarczające, aby funkcja ograniczenia mocy w okresie rozliczeniowym działała poprawnie. Wnioski Zaproponowane rozwiązania zarówno dla obiegu ciepłej wody użytkowej jak i centralnego ogrzewania wykorzystują rozwiązania technologiczne węzłów cieplnych z adaptacją rozwiązań hydraulicznych i automatyki bezpośredniej, co jest ich niewątpliwą zaletą. Dodatkowo poprzez zastosowanie urządzenia programowalnego SP1, systemu wizualizacyjnego i archiwizacyjnego Lumel-Ciepło możliwe było stworzenie takich struktur sterowania które pozwoliły na lepsze wykorzystanie energii cieplnej, co w efekcie końcowym przełożyło się na wymierne korzyści finansowe. Oprócz rozwiązań szczegółowych takich jak opisane, firma Lumel S.A. dostarcza rozwiązań kompleksowych z wykorzystaniem doświadczenia i potencjału inżynierskiego, dla sprostania wymagań prawnym i użytkowych.
