Energetická účinnost prostřednictvím inteligentní regulační techniky Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 02 I 2009 Zásluhou moderní a inteligentní regulační techniky lze právě v komerčně využívaných budovách využít značné potenciály k úspoře energie. Klasické regulační algoritmy lze například nahradit inovativními, vysoce efektivními řešeními, šetřícími energii. Nové metody umožňují nejen maximální energetickou účinnost při optimálním zachování požadavků na komfort, nýbrž zaručují také delší životnost zařízení a připouštějí prodloužení servisních cyklů. Už jen optimalizací regulačních parametrů se tak například docílí až 15% úspor. V následujícím textu budou popsány faktory, mající podstatný vliv na úsporu energie. Té lze docílit jak použitím kvalitních regulačních zařízení, tak i využitím pokročilých regulátorů. Energetická účinnost Energetická účinnost budovy není dána jen jejími vlastnostmi, jako jsou tepelné izolace stěn, střechy a oken, její stavební technologií a provedením (zateplení), nebo velikostí venkovních ploch budovy, kterými může teplo, event. chlad, unikat. Podstatným faktorem ke zvýšení energetické účinnosti je také jakost regulace použité regulační techniky. Níže budou popsány některé regulační algoritmy vedoucí ke zvýšení energetické účinnosti topných a klimatizačních zařízení.
1. Energeticky účinné regulační funkce Energeticky účinná regulační zařízení spustí zdroj tepla pouze tehdy, když některý spotřebič vyžaduje teplo. Znamená to, že každý spotřebič tepla ať již topný okruh, příprava teplé užitkové vody, větrací zařízení nebo regulace jednotlivých místností odešle nárok na dodávku tepla zdroji tepla přesně tehdy, když vzniká jeho potřeba. Protože doby využití jsou pro každý spotřebič individuálně nastavitelné, nebude se dodávat žádné zbytečné teplo, což vede ke snižení ztrátových výkonů. Obr. 1: Typické topné zařízení (vyhotoveno s projektovacím nástrojem Coach CentraLine) 2. Regulace topného okruhu Ve většině zařízení se z cenových důvodů používají pouze regulace vytápění s ekvitermním řízením teploty přívodní vody. Kromě dimenzování otopných těles má velký vliv na energetickou účinnost také nastavení topné křivky. Větší výkon otopných těles dovoluje při optimalizované regulaci rychlejší ohřev a snížení teploty přívodní vody. Nízká teplota přívodní vody pak vede k redukci ztrát v potrubí - ty jsou závislé na délce potrubí a jakosti izolace. U nízkoteplotních a kondenzačních kotlů je tak možné také snížit teplotu vratné vody, což se opět výhodně projeví na ztrátách spalinami a vyzařováním a umožní lepší využití kondenzace. Z regulačně technického pohledu musí být zaměřena pozornost na nastavení topné křivky. Posunutím křivky výstupní teploty o +/- 5 K se změní spotřeba energie o +/- 19%. 1 Ke zmírnění nevýhod ekvitermní regulace teploty přívodní vody je tedy důležité, aby použitá regulační technika udržovala pokud možno minimální požadovanou hodnotu teploty přívodní vody. Speciální regulátory, například Tiger nebo Panther od CentraLine, to zvládnou automatickou adaptací topné křivky, která se tím přizpůsobí budově. 1 Zdroj - Výzkumné centrum Jülich Potenciály úspor při zásobování energií obytných budov informačními technologiemi
S ekvitermní regulací není kromě toho možné zohlednit jak vlivy slunečního záření, tak tepla, které je produkováno přístroji nebo osobami v místnosti. Každý člověk přesto vyprodukuje přibližně 60 100 W tepelného výkonu. Tyto nevýhody lze kompenzovat pouze regulací jednotlivých místností. 4. Regulace zdrojů tepla Bude-li v rámci modernizace regulační techniky prováděná také sanace kotelního zařízení, vyplatí se použít kondenzační kotel. Vyšší pořizovací náklady se během několika málo let amortizují minimálními náklady na energii. V úvahu by se měly vzít také alternativní zdroje tepla, jako jsou například tepelná čerpadla. Jednotlivé regulační strategie obsahují funkce k efektivní regulaci kotlů, kaskády kotlů nebo integraci alternativních a ekologických zdrojů tepla. Tyto zdroje tepla budou při tom nastaveny tak, aby ekologické zdroje tepla byly vždy jako hlavní a konvenční zdroje tepla se vždy použily jen k pokrytí špičkového zatížení. Regulační strategie se postará o to, aby byl vždy k dispozici pouze nutný topný výkon a zdroje tepla tak pracovaly s maximální účinností. Docílí se toho srovnáním topných výkonů požadovaných od spotřebičů a disponibilních topných výkonů zdrojů tepla. Pokud možno dlouhými dobami běhu a tím co možná nejmenším počtem zapínacích a vypínacích cyklů se regulační strategie postará také o prodloužení životnosti kotlů. 5. Regulace zdrojů tepla regulačním algoritmem se znalostní bází Určité regulátory poskytují také možnost regulovat zdroje tepla pomocí regulačního algoritmu se znalostní bází. S tímto regulačním režimem je možné výrazné zlepšení regulační odezvy. Následné kotle se připojí pouze tehdy, existuje-li skutečná potřeba jejich výkonu. Dodatečně k regulační odchylce, která je vyhodnocována také v klasických aplikacích, zohledňuje regulátor se znalostní bází další důležité poruchové veličiny, jako je teplota vratné vody nebo průtok na sekundární straně. Tím je určen na výstupu regulačního bloku potřebný celkový výkon kotlů, který se potom převádí na příslušné akční signály zdrojům tepla. Znalostní báze, tvořící podstatný podíl akčního signálu, se automaticky přizpůsobí přes regulační odchylku. Regulační algoritmus je vybaven statickým optimalizačním algoritmem, který při vzniku regulačních odchylek samočinně provede přizpůsobení na znalostní bázi. Regulátor se tak samoučící funkcí přizpůsobí celému systému a při uvádění do provozu odpadá náročné nastavování parametrů zařízení.
Obr. 2: Charakteristický diagram. Výstupní signál znalostní báze jako funkce obou vstupů poruchových veličin: Kdykoliv je některá z obou poruchových veličin průtok nebo teplotní rozdíl event. přívodní/vratná teplota malá, je také akční signál na výrobníku tepla minimální. Jsou-li obě výše uvedené poruchové veličiny maximální, potom je také potřebný maximální výkon kotle. Přednosti přístupu se znalostní bází v topných zařízeních jsou: stabilní regulace kotlů bez kmitání zabránění zbytečným zapínacím a vypínacím cyklům u kaskád kotlů a tím prodloužení životnosti zařízení a servisních cyklů minimální teplotní gradienty na součástech kotlů (snížení opotřebení) optimální průtok kotlem a tím optimální provoz kotle přesné udržování požadované hodnoty, umožňující lepší regulovatelnost na ventilu topného okruhu konstantní disponibilita tepla dle požadavku spotřebitele snížení spotřeby energie optimalizací pracovního bodu akčních zásahů 1 1 Zdroj - Prof. Dr. Christian Rähder - Realizace regulátoru MaxXControl pro kaskádové řazení kotlů. Optimální řízení provozu prostřednictvím regulace řízené potřebou.
6. Efektivní regulace vzduchotechnických zařízení Vysoká spotřeba energie vzduchotechnických zařízení je často zapříčiněna předimenzováním vzduchotechnického zařízení. Redukce objemového toku vzduchu na požadovanou minimální výměnu vzduchu může ušetřit 30 až 50% spotřebované energie. Optimálně koordinovaná regulace teploty, vlhkosti a objemového toku vzduchu může navíc ušetřit 10 až 15%. Obr. 3: Klasické VZT zařízení V tradičních vzduchotechnických zařízeních pracují regulátory teploty, relativní vlhkosti a otáček ventilátorů (regulátory objemového toku) nezávisle na sobě. S tímto přístupem jsou kmitání a plýtvání energií již předprogramované. Při regulaci jednotlivých komponentů klimatizačních zařízení mohou vzniknout následující problémy: současné kmitání teploty a relativní vlhkosti přehnané akční zásahy při kompenzaci poruch a tím zbytečné použití energie silné namáhání ventilů a čerpadel při kmitání akčních veličin (např. časté spínání) nepřesné dodržování požadovaných hodnot vlivem poruch Regulátory CentraLine poskytují možnost použít regulační algoritmus se znalostní bází, který odstraňuje všechny uvedené nevýhody a podstatně přispívá k efektivnímu využití zařízení. V souladu se základní myšlenkou zpracování informací se znalostní bází nebude akce regulátoru VZT určena pouze vstupy do regulátoru, nýbrž též vyhodnocením znalostní báze, založené na expertních znalostech.
Veličiny používané ve VZT regulátoru se znalostní bází budou změřeny v klimatizačním procesu, tím jsou k dispozici a dodatečná senzorika není zpravidla nutná. Veličiny však budou regulátorem komplexně vyhodnoceny. Regulátor nyní ví, že ve stavu x je akční signál y na výstupu. Tím může regulátor reagovat dříve, než měla změněná situace účinky na regulační veličiny a nastane například nepřípustné podkročení požadované hodnoty. Paralelně pracující a nezbytné komponenty regulátoru PI pak mají k akční složce znalostní báze už jenom doplňující, opravnou funkci. Tím se značně zmenší regulační rozpětí, což má pozitivní vliv na režim práce regulátoru, vzhledem ke stabilitě a robustnosti. Obr. 4: Charakteristický diagram výstupu regulátoru pro topný registr se třemi poruchovými veličinami X1 X2 X3 Porucha - tepelný požadavek Porucha - zbavení vlhkosti Porucha - otáčky ventilátoru Než je vydán akční povel pro komponenty zařízení, jako jsou ohřívač vzduchu, chladič vzduchu, rekuperátor a vzduchové klapky, musí zapůsobit akční sekvence, která plně využívá vlastností využití odpadního tepla nebo klapky směšování vzduchu, a to dříve než je žádána akce energeticky náročnějších částí zařízení. Vzhledem k lepší regulaci se s regulátorem se znalostní bází spotřebuje méně energie než s konvenčními regulátory PID. Vysokou kvalitou regulace se dosáhne: rychlé vyregulování minimální překmit rozumné akční signály pro ovládání ventilů (minimální aplitudy, klidné regulační chování) minimální vzájemné ovlivnění dílčích procesů ohřívání, chlazení jakož i zvlhčování a vysušování, a tím snížení poruch, kterým lze zabránit
vysoká robustnost regulátoru vůči rušivým účinkům snížení spotřeby energie optimální koordinací úpravy vzduchu minimalizace opotřebení zařízení rozumným pohybem akčních členů 1 7. Regulace CO2 a využití odpadního tepla 30 až 50% úspor lze také dosáhnout použitím regulace CO2. Tato regulace řídí otáčkami ventilátorů podíl venkovního vzduchu a objemový tok dodávaného vzduchu. Tím se bude čerstvý vzduch přivádět pouze tehdy, když se podkročí požadovaná hodnota CO2 2 v dodávaném vzduchu. Využití odpadního tepla s vysokou účinností (při použití kondenzačních kotlů může být tato účinnost až 80%) nebo volného nočního chlazení mohou též dále vést ke zvýšení energetické účinnosti. 8. Pravidelná inspekce a údržba zařízení Důležitým základním prvkem pro zajištění vysoké energetické účinnosti je pravidelná údržba zařízení. Při použití moderní regulační techniky lze plány údržby zadat přímo do regulátorů. Tak lze definovat údržbový interval pro jakoukoliv část technologie, jakýkoliv pohon. Po uplynutí intervalu údržby se na regulátoru vyvolá údržbový alarm. Tyto alarmy budou aktivní pouze tehdy, bude-li se zákazníkem dohodnuto, že se požaduje pravidelná údržba. Toto nejefektivnější použití plánů údržby je možné pouze v případě nasazení systému pro řízení technologie budovy. 1 Zdroj - Prof. Dr. Christian Rähder - Energeticky optimální provoz koordinací úpravy vzduchu 2 Další informace k tématu Regulace CO2 najdete na www.centraline.com/energy.
Shrnutí Éra levné energie dlouho nevydrží a ceny budou opět stoupat. Energetická účinnost budov se ale musí neustále zvyšovat také z důvodů ochrany životního prostředí, což celosvětově rozpoznala většina vlád a vyžaduje ji a podporuje v programech sanace budov. Energetických úspor v budovách lze dosáhnout s relativně nízkými náklady použitím optimalizované regulace. Moderní a efektivní regulační technika a systémy pro řízení technologií budov jsou podstatným přínosem ke zvýšení energetické účinnosti v budovách. Poskytují osvědčené a hojně testované regulační funkce, které splňují nejpřísnější požadavky na energetickou účinnost. Zdroje Obrázky 1 4: CentraLine Autor: Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH Více detailů a další články naleznete na domovských stránkách CentraLine City, sekce Energy Efficiency, případně nás přímo kontaktujte. www.centraline.com CentraLine Honeywell spol. s.r.o. V Parku 2326/18 148 00 Praha 4, Česká Republika Tel +42 (0) 242 442 111 CentraLine Honeywell s.r.o. Mlynské nivy 71 P.O.BOX 75 820 07 Bratislava 27, Slovensko