Měření spotřeby elektrické energie

Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola Varnsdorf Mariánská 1100, 407 47 Varnsdorf 5, příspěvková organizace Měření spotřeby elektrické energie Petr BANNERT Tento text vznikl v rámci projektu: Solární fotovoltaický systém a Zelená energie v Českém Švýcarsku a jeho okolí

14. Měření spotřeby elektrické energie 14.1. Úvod Proč hospodařit s energií? a) Ekologický důvod: čím méně elektrické energie spotřebujeme, a to především té, která je založena na neobnovitelných zdrojích, tím méně jí bude třeba vyrobit, tím méně škodlivin zatíží naše životní prostředí. b) Ekonomický důvod: čím méně elektrické energie spotřebujeme, tím méně budeme muset elektřinu dovážet, a tím také méně zaplatíme, a to jako jednotlivec, obec, podnikatel i stát. Jak šetřit energií? 1. Snížením ztrát by mělo být uvažováno jak první opatření, a až potom je vhodné uvažovat o náhradě stávajících zdrojů energie (paliv) jinými zdroji. Je zcela nehospodárné nahradit stávající uhelný kotel účinným kotlem na spalování biomasy, když vyráběné teplo se dál ztrácí po cestě do vytápěného objektu špatně izolovaným potrubím nebo ve vytápěném objektu netěsností oken, případně jejich otevíráním v přetápěném objektu, kde chybí regulace spotřeby tepla. 2. Snížením spotřeby energie: U existujících objektů, technologií či spotřebičů lze snížení spotřeby energie dosáhnout snížením jejích ztrát, přičemž opatření mohou být v kategorii. Ušetřit energii lze i u nových objektů, technologií a spotřebičů energie, a to: a) Navržením a výstavbou objektů s respektováním všech současných požadavků na omezení možného vzniku ztrát daných příslušnými vyhláškami. b) Výstavbou tzv. nízkoenergetických objektů, které zpravidla kombinují využití dnes známých způsobů omezení možného vzniku ztrát s využitím Obnovitelných Zdrojů Energie (OZE). c) Volbou energeticky úsporných technologií a spotřebičů energie. V současnosti existuje na trhu velká nabídka technologií a spotřebičů, a proto je třeba při výběru uvažovat jejich spotřebu energie a vliv na životní prostředí. Vyplatí se vždy konzultovat návrh s odborníky na uvedené zařízení. d) Náhrada využívaných zdrojů energie jinými by měla přinést úsporu energie i snížení emisí škodlivin. Stránka 2

14.2. Základní pojmy P (W, kw) elektrický příkon Elektrický příkon udává energetickou náročnost elektrického zařízení. Jeho základní jednotkou je Watt. V praxi se velmi často používá odvozená jednotka kilo-watt (1kW = 1000W). Elektrický příkon ve stejnosměrné soustavě: P DC = U I (14.1) Elektrický příkon ve střídavé 1f soustavě: P AC 1 f = U I cosϕ (14.2) cos ϕ (-) účiník Účiník cos ϕ vyjadřujeme podílem mezi činným a zdánlivým příkonem v elektrickém obvodu střídavého proudu. Vyjadřuje, jak velkou část zdánlivého výkonu lze přeměnit na užitečnou energii. Účiník závisí na vzájemném fázovém posuvu proudu a napětí. Je bezrozměrný a jeho hodnota se pohybuje se od 0 do 1, přičemž jednotkový účiník znamená, že celý výkon je činný (fázový posuv je nulový), nulový účiník znamená, že celý výkon je jalový, zátěž je čistě kapacitní nebo čistě indukční a fázový posuv je tedy ±90. Nízké hodnoty účiníku znamenají v obvodu vyšší ztráty energie. Účiník cos ϕ by se měl pohybovat mezi hodnotami 0,95 až 0,99. P f cos ϕ = AC1 (14.3) S W (Wh, kwh) spotřebovaná elektrická energie Spotřebovaná elektrická energie je definovaná jako odebíraný příkon za jednotku času. Základní jednotkou je Watt-hodina (jinak také (J) Joule). V praxi se častěji používá jednotka (kwh) kilo-watt-hodina. Pro spotřebovanou elektrickou energii v 1f střídavé soustavě platí: W = PAC1 f t = U I cosϕ t (14.4) Stránka 3

Cena za odebranou elektrickou energii Cena OE = ZC1 P t (14.5) kwh kw hod kde Cena OE je cena za odebranou elektrickou energii (Kč) ZC 1kWh je základní cena za 1kWh (dle sazby denní/noční), (Kč) P kwh t hod je činný příkon spotřebiče (kwh) je doba, po kterou je příkon odebírán v dané sazbě (hod) Poznámka: Průměrná cena za 1kWh je přibližně 3,50 Kč (platí pro rok 2008). Tab. 14. 1 Energetická náročnost vybraných spotřebičů Poznámky: - hodnoty příkonů elektrických spotřebičů (přístrojů) odpovídají průměrným spotřebičům (přesné hodnoty lze najít na www stránkách výrobců nebo prodejců) - obecně platí, že novější, menší či tzv. energeticky úsporné spotřebiče mají odběry o třetinu až polovinu nižší než je uváděný průměr Stránka 4

14.3. Energetická náročnost a energetické třídy Energetická třída - nás informuje o energetických vlastnostech výrobku a je přidělována na základě směrnic definovaných EU - zohledňuje účel přístroje, míru využití odebrané energie a samozřejmě i porovnání energetické náročnosti s jakýmsi teoretickým průměrem - zařízení do jednotlivých tříd symbolizují abecedně řazená písmena od A až do G, přičemž "áčko" je nejlepší a "géčko" nejnáročnější - rozdělení domácích spotřebičů do energetických tříd a povinné štítky, z nichž lze zařazení daného výrobku jednoduše zjistit, funguje v zemích EU od roku 1994 - odhaduje se, že toto opatření může ušetřit v letech 1996-2020 na 700 TWh energie - od příštího roku navíc v EU přibude nová třída A+ resp. A++ Aby si mohl spotřebitel (zákazník) udělat představu o energetické náročnosti elektrického zařízení, zavedly se tzv. energetické štítky. Mezi elektrická zařízení, která podléhají štítkování, patří následující skupiny spotřebičů: - automatické pračky - bubnové sušičky prádla - pračky kombinované se sušičkou - chladničky, mrazničky a jejich kombinace - myčky nádobí - elektrické trouby - elektrické ohřívače vody - zdroje světla - předřadníky k zářivkám - klimatizační jednotky Obr. 14. 1 Příklad energetického štítku myčky nádobí Poznámka: Přílohy k Vyhlášce Min. průmyslu a obchodu č. 442/2004 Sb., určující pravidla označování elektrospotřebičů stanovených touto vyhláškou energetickými štítky. Stránka 5

Vyplatí se koupit spotřebič s lepší energetickou třídou? Za energeticky úspornější výrobky si připlatíme, a tím vzniká otázka, zda se taková investice vůbec vyplatí? => odpověď zní zpravidla ANO. Výpočet doby návratnosti: t roků ΔCN = 365 ZC ΔW 1kWh den (14.6) kde t roků je počet roků za který dojde k ekonomické návratnosti (roky) ΔCN je rozdíl cenových nákladů u vybraného spotřebiče v rozdílných energetických třídách (Kč) ΔW den je rozdíl denní spotřeby u vybraného spotřebiče v rozdílných energetických třídách (kwh) Příklad výpočtu doby návratnosti: Spotřebičem je například lednička s totožnými parametry, ale s rozdílnou energetickou třídou. Přibližná cena ledničky v energetické třídě A je zhruba o 600 Kč vyšší než v energetické třídě B. Tab. 14. 2 Tabulka výpočtů Z tabulky je zřejmé, že doba návratnosti je menší než dva roky. Stránka 6

14.4. Nejneúspornější spotřebič elektrické energie Mezi nejrozšířenější nejneúspornější spotřebiče patří klasické žárovky, které jsou řazeny do energetické třídy E. Obr. 14. 2 Fotografie klasické žárovky 230V / 60W Obr. 14. 3 Energetická bilance klasické žárovky 14.5. Odběr elektrické energii spotřebiči v pohotovostním režimu V poslední době je drtivá většina přístrojů vybavena tzv. pohotovostním režimem. Luxus je zde v podobě přístroje čekajícího na pokyn z dálkového ovladače. V pohotovostním režimu odebírají tyto přístroje příkon kolem 5 Wh. Na první pohled se tato spotřeba zdá jako zanedbatelná, ale za 1 rok odebere: cena za luxus je: 5 Wh 24hod 365dní = 43800Wh = 43, 8kWh (14.7) 43,8 kwh 3,50 Kč 153Kč (14.8) Relativně účinnou obranou je vypínací tlačítko (mechanické), kterým lze přístroj od sítě přímo odpojit. Stránka 7

Tab. 14. 3 Příklad spotřeby vybraných komponentů PC v pohotovostním režimu 14.6. Vybrané typy na úsporu elektrické energie 14.6.1. Úsporné žárovky Moderní úsporné žárovky nabízejí více světla za méně energie. Úsporné žárovky vydávají bílé (tvrdé světlo, méně příjemné, nízká teplota chromatičnosti*) nebo běložluté světlo (měkké světlo, příjemnější, vyšší teplota chromatičnosti), které se mnohem více podobá světlu obyčejných žárovek. Na obalu úsporných žárovek se většinou uvádí počet "obyčejných" žárovek, které nahradí tato jediná "úsporná" díky prodloužené životnosti: - sporná žárovka s příkonem 13 W nahradí klasickou 60 W žárovku (podle údajů výrobce) PRAXE potvrzuje, že se vyšší investice opravdu vyplatí tam, kde se žárovka příliš často střídavě nezapíná a nevypíná: Poznámka *: - ALE - při častém zapínání se žárovka příliš opotřebovává a její životnost rychle klesá - montáž úsporné žárovky na domácí WC není tou pravou volbou - úsporné žárovky je vhodné namontovat v prostorech s dlouhodobým svícením Index podání barev úzce souvisí s tzv. teplotou chromatičnosti. Čím je jeho hodnota vyšší, tím více se blíží barevnému spektru žárovky, které je nejpříjemnější. Je to dáno tím, že jeho barevné spektrum je blízké barevnému spektru slunce. Stránka 8

14.6.2. Jak snížit spotřebu u výpočetní techniky Snížení spotřeby u výpočetní techniky lze dosáhnout následovně: 1. Vybráním vhodného zdroje: - velký podíl na spotřebě mají čtyřjádrové procesory, disková pole a grafiky v režimu SLI/Crossfire - drtivá většina domácích PC se i s výkonnou grafickou kartou pohodlně vměstná do 200W spotřeby v pracovním režimu (hry, 3D aplikace atd.) a v klidu (kancelářské aplikace, internet atd.) do 130W. 2. Nahrazením CRT monitoru LCD displejem: - obecně platí, že čím větší úhlopříčka, tím větší spotřeba (pro CRT a LCD) - i levné modely LCD displejů s úhlopříčkou kolem 20 palců mají max. odběr 50 W 3. Vhodným výběrem pevného disku: - nahrazení pevného disku FLASH uložištěm technologie SSD - jejich spotřeba je přibližně 5 x menší - od nákupu SSD médií však zatím odrazuje vysoká cena a malá kapacita 4. Pořízením nového PC Jak vhodně vybrat zdroj pro PC: a) Napájecí větev - 12V: - to jsou vodiče, kterými proudí většina energie do komponent a je potřeba, aby byly dobře dimenzované a aby jich byl dostatečný počet - větší vodičů lépe odolává náhlým nárůstům odběru - výkon ostatních větví je téměř u všech zdrojů dostatečný (u levných dokonce až příliš vysoký) b) Velká účinnost: - potřebuje-li PC například 200W energie, při 90% účinnosti zdroje, bude ve skutečnosti odebírat 220W, při 80 % už ale 250W Stránka 9

- pořídíte-li si zdroj s vysokou účinností (certifikace 80plus, http://www.80plus.org), ušetří vám to díky menší spotřebě peníze, a za léta provozu se může cenový rozdíl při nákupu zcela smazat (levné zdroje mají účinnost kolem 60-70%). c) Typ PFC filtru: - PFC = Power Factor Correction, neboli korekce účiníku, je korekce maximálně přípustného obsahu harmonických složek síťového proudu (ochrana proti rušení okolních elektrických spotřebičů a zpětnému harmonickému vyzařování do sítě) - pokud možno, tak vybíráme aktivní PFC => odebíraný proud má časový průběh jako napětí (harmonický průběh) a zároveň je s tímto napětím ve fázi 14.6.3. Další typy na úsporu elektrické energie Praktické a užitečné informace naleznete například na těchto www stránkách: http://www.posvittesinauspory.cz http://www.cez.cz/cs/pece-a-podpora/energeticky-radce.html http://www.zelenaenergie.cz http://www.cez.cz http://www.tretipol.cz http://www.ceskaenergetika.cz 14.7. Měření spotřeby elektrické energie Na internetu lze nalézt celou řadu přístrojů pro měření spotřeby elektrické energie. Jejich pořizovací cena se orientačně pohybuje v mezích od 300 Kč do 1 500 Kč. Pro měření spotřeby elektrické energie byl na naší škole vybrán přístroj ENERGY LOGGER 3500 od výrobce VOLTCRAFT. Tento přístroj má velmi příznivý poměr mezi výkonem (množství sledovaných veličin, přesnost, záznam dat) a cenou. Stránka 10

14.7.1. Popis měřicího přístroje ENERGY LOGGER 3500 ENERGY LOGGER 3500 zaznamenává spotřebu energie připojeného přístroje po dobu až 4 měsíců v interní paměti, získaná data pak můžeme pohodlně pomocí běžné SD karty přenést do počítače k další analýze a uložení. Komfortní grafický software vizualizuje energetické náklady až 10 spotřebičů a umožňuje export do EXCELu, uvidíme tak velké spotřebiče proudu a můžeme snadno učinit opatření k úspoře energie a především dále sledovat účinnost úspory. Na třířádkovém displeji se zobrazuje vedle spotřeby energie také činný a zdánlivý výkon, kmitočet, účiník cos ϕ, proud, napětí, výkon a hodnoty min./max. Zobrazení lze přepínat mezi aktuálním a kumulovaným měřením a prognózou nákladů (měsíc, rok). Denní spotřebu a náklady za posledních 10 dnů odečtete přímo na displeji. Přístroj zjišťuje rovněž dobu zapínání připojeného spotřebiče. Oproti levnějším přístrojům ukazuje Energy Logger 3500 již u spotřebičů od 1,5 W vysoce přesné naměřené hodnoty činného výkonu a je proto ideální také pro měření spotřeby v pohotovostním režimu (StandBy). Díky integrované záložní baterii se ani při výpadku proudu naměřená data neztratí. Obr. 14. 4 - Fotografie MP spotřeby elektrické energie ENERGY LOGGER 3500 Základní technické údaje přístroje Provozní napětí : 230 V/AC Měření spotřeby : 1 Wh až 9999 kwh Třída přesnosti : ± 1 % + 1 digit Max. příkon měřeného spotřebiče : 1,5 až 3500 W Rozlišení : 0,1 W Jmenovitý vlastní příkon : cca 1,8 W Doba záznamu : max. 4 měsíce Rozměry (š x v x h) : 135 x 82 x 70 mm Stránka 11

14.7.2. Návod na obsluhu přístroje ENERGY LOGGER 3500 Na níže uvedeném odkazu můžete nalézt: a) návod na obsluhu MP (ve formátu PDF); b) obslužný SW ke stažení - Energy Logger Viewer. http://www2.produktinfo.conrad.com/cgi-bin/dlc/dlc.cgi?art=125323&lang=cz Obr. 14. 5 Příklad pracovního prostředí SW Energy Logger Viewer 14.8. Literatura [L1] [L2] [L3] [L4] [L5] [L6] http://www.uspornespotrebice.cz http://www.eru.cz http://www.80plus.org http://www.techzine.cz http://www2.produktinfo.conrad.com/cgi-bin/dlc/dlc.cgi?art=125323&lang=cz http://www.wikipedie.cz Stránka 12