Energieffektiv. ..takket være intelligent reguleringsteknikk. Energieffektivitet 02 I 2009

Transkript

1 Energieffektiv Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 02 I 2009 Takket være moderne og intelligent reguleringsteknikk, kan man oppnå betydelige energibesparelser i yrkesbygg. Klassiske reguleringsalgoritmer avløses for eksempel av innovative, høyeffektive og energibesparende løsninger. Nye metoder muliggjør ikke bare høy energieffektivitet samtidig som kravene til komfort oppfylles optimalt, men de fører også til at anleggene varer lenger og tillater lengre vedlikeholdssykluser. På denne måten kan man for eksempel oppnå energibesparelser på inntil 15 % allerede ved å optimalisere reguleringsparametrene. I det følgende beskrives de viktigste faktorene som påvirker energibesparelsen. Man kan oppnå dette ved å bruke høykvalitets reguleringsanlegg, samt optimaliseringsmuligheter på installasjonssiden ved å ta i bruk kunnskapsbaserte regulatorer. Energieffektivitet Energieffektiviteten i en bygning er et resultat av varmeisoleringsegenskapene i vegger, tak og vinduer, byggemåten og utførelsen (isolering) samt størrelse på ytterflatene hvor varme eller kulde kan slippe unna. En viktig men samtidig undervurdert faktor for å øke energieffektiviteten, er også kvaliteten på reguleringsteknikken som benyttes i bygningen. I det følgende beskrives noen reguleringsalgoritmer for å øke energieffektiviteten i varme- og klimaanlegg.

2 1. Energieffektive reguleringsfunksjoner Energieffektive reguleringsanlegg starter kun varmeproduksjonen når en forbruker krever varme. Det betyr at hver varmeforbruker, det være seg en varmekurs, en varmtvannsbereder, et ventilasjonsanlegg eller et rom, sender et krav til varmeprodusenten i form av skalverdi eller settpunkt nøyaktig når den trenger varme innenfor sin driftstid. Da brukstidene for hver forbruker kan stilles individuelt, produseres det ikke noen varme unødvendig, noe som igjen reduserer tapseffekten. Fig. 1: Typisk varmeanlegg (fremstilt med CentraLine prosjekteringsverktøy Coach) 2. Varmekursregulering I de fleste anleggene brukes det av kostnadsmessige grunner kun varmereguleringer med værkompensert turvannsregulering. I tillegg til dimensjoneringen av radiatorer og øvrige varmelementer har også varmekurveinnstillingen stor innvirkning på energieffektiviteten. Høyere effekt på varmeelementene tillater ved en optimalisert regulering raskere oppvarming og kraftigere senking av tilførselstemperatur. Den lavere tilførselstemperaturen fører dermed til en reduksjon i rørledningstapene. Besparelsen er avhengig av ledningslengden og isolasjonskvaliteten. Ved lavtemperatur- og kondenskjeler kan dermed også returtemperaturen senkes, noe som igjen har gunstig virkning på avgass- og strålingstapene, og som gir bedre utnyttelse av kondeseringen. Fra en reguleringsteknisk synsvinkel må man være enda mer oppmerksom på innstillingen av varmekurven. En forskyvning av utgangskurven med +/- 5 K forandrer energiforbruket med +/- 19 %. 1 1 Kilde - Forschungszentrum Jülich Einsparpotentiale bei der Energieversorgung von Wohngebäuden durch Informationstechnologien

3 For å redusere ulempene med en værkompensert turvannsregulering, er det også viktig at reguleringsteknikken som benyttes holder tilførselstemperaturens skalverdi så lav som mulig. Spesielle regulatorer, for eksempel TIGER eller PANTHER fra CentraLine, greier dette med den automatiske tilpasningen av varmekurven, som dermed tilpasses bygningen. Med værkompensert regulering er det dessuten ikke mulig å registrere påvirkningene fra solstråling, varmen som produseres av apparater, eller antall mennesker i rommet. Alle mennesker produserer omtrent W varmeeffekt. Disse ulempene kan kun kompenseres med romregulering. 3. Pumperegulering Behovsstyrte varmepumper muliggjør ytterligere besparelser: Ofte går pumper 24 timer i døgnet ved maks. turtall. Spesielt for store matepumper med effekt over 100 kw, gir dette et stort innsparingspotensiale. Ved frostfare er det riktig nok nødvendig at pumpene kjører kontinuerlig. Hvis temperaturen er over frostbeskyttelsesgrensen og pumpene går bare når de virkelig trenger energi, kan minimum 30 til 60 % av den forbrukte elektriske energien spares. 4. Regulering av varmeproduksjonen Hvis også kjelanlegget skal moderniseres samtidig som man moderniserer reguleringssystemet, lønner det seg å bruke kondenskjeler. De høyere anskaffelseskostnadene inntjenes i løpet av noen få år takket være lavere energikostnader. Også alternative varmeprodusenter slik som varmepumper bør vurderes. Enkelte reguleringsstrategier inneholder for eksempel funksjoner for effektiv regulering av kjeler, seriekobling av kjeler eller å integrere alternative og miljøvennlige varmekilder. Disse grupperes slik at de miljøvennlige alltid er de foretrukne under normal drift, og de konvensjonelle alltid brukes til å dekke topplasten. Reguleringsstrategien sørger for at alltid bare den nødvendige varmeeffekten gjøres tilgjengelig, og at valgt varmekilde dermed arbeider med maks. virkningsgrad. Dette oppnår man ved å sammenligne varmeeffekten som forbrukerne krever og varmeeffekten som varmekilden stiller til disposisjon. Takket være så lange gangtider som mulig og dermed så få inn- og utkoblinger som mulig, sørger reguleringsstrategien også for at kjelene varer lenger.

4 5. Regulering av varmeprodusentene med reguleringsalgoritme for vannbåren varme. Bestemte regulatorer gjør det også mulig å regulere varmeprodusenten ved hjelp av en kunnskapsbasert reguleringsalgoritme. Med dette reguleringsprinsippet er det mulig å oppnå en betydelig forbedring av reguleringsforløpet. Flere kjeler kobles da kun inn når det virkelig er behov for flere kjeler. I tillegg til reguleringsavviket, som også analyseres i klassiske anlegg, tar den kunnskapsbaserte regulatoren hensyn til viktige forstyrrelser som returtemperatur eller gjennomstrømningen på sekundærsiden. Basert på dette kalkulerer regulatoren seg fram til et grunnlag for justering. Dette kunnskapsgrunnlaget som utgjør en betydelig del av justeringssignalet for energi, tilpasses automatisk via reguleringsavviket. Reguleringsalgoritmen er utstyrt med en optimeringsalgoritme, som automatisk foretar tilpasninger til kunnskapsgrunnlaget når det oppstår reguleringsavvik. Regulatoren tilpasser seg med andre ord altså de enkelte anleggene under den tidkrevende innreguleringen og oppstarten. Fig. 2: Karakteristikk. Utgangssignal for kunnskapsgrunnlaget som funksjon av begge avviksinngangene: Når en av eller begge avvikene for gjennomstrømning eller temperaturforskjell mht. tilførsel-/retur er liten, er også forstillingssignalet til varmeprodusenten lite. Hvis begge de ovenfor nevnte forstyrrelsene er maksimale, er den høyeste kjeleeffekten nødvendig.

5 Fordelene med den kunnskapsbaserte metoden i varmeanlegg er: Stabil kjeleregulering uten svingninger Man unngår unødvendige inn- og utkoblinger når man kobler flere kjeler, og dermed varer anlegget og vedlikeholdssyklusene lenger. Lave temperaturgradienter ved kjelekomponentene (mindre slitasje) Optimal kjelgjennomstrømning og dermed optimal kjeldrift Nøyaktig skalverdi som gir bedre regulering ved varmekursventilen Konstant tilgang på varme iht. skalverdidata fra forbrukeren Reduksjon av energiforbruket på grunn av arbeidspunktoptimale innstillinger 1 6. Effektiv regulering av ventilasjonsanlegg Det høye energiforbruket i ventilasjonsanlegg kan ofte føres tilbake til overdimensjonering av ventilasjonsanlegget. En reduksjon av volumstrømmen kan spare 30 til 50 % av den brukte energien og fortsatt ivareta krav til luftutskiftning. Optimalt koordinert regulering av temperatur, fuktighet og volumstrøm kan i tillegg spare 10 til 15 %. Fig. 3: Klassiske klimaanlegg 1 Kilde - Prof. Dr. Christian Rähder - Die Realisierung eines MaxXControl-Reglers für Kesselfolgeschaltungen. Optimale Betriebsführung durch bedarfsgeführte Regelung

6 I tradisjonelle ventilasjonsanlegg arbeider regulatorer for temperatur, relativ fuktighet og vifteturtall (volumstrømregulator) uavhengig av hverandre. Med denne metoden er vibrasjoner og energisløsing allerede forhåndsprogrammert. Ved regulering av de enkelte komponentene til klimaanleggene kan det oppstå følgende problemer: Samtidig svinging av temperatur og relativ fuktighet Unødvendig store forstillingsbevegelser ved feilkompensering og dermed unødvendig energibruk Stor mekanisk påkjenning til ventiler og pumper ved svingninger i forstillingsverdier (f.eks. hyppig inn-/utkoblinger) Unøyaktig overholdelse av skal-verdier ved støypåvirkning. Med regulatorer fra CentraLine kan man bruke en kunnskapsbasert reguleringsalgoritme som fjerner alle de nevnte ulempene og bidrar i vesentlig grad til effektiv bruk av anleggene. Grunntanken bak den kunnskapsbaserte informasjonsbearbeidingen defineres i klimaregulatoren(undersentralen). Styringen i denne regulatoren bestemmes ikke bare av direkte verdier fra regulatorkomponentene, men også av analysen av et kunnskapsgrunnlag som beror på ekspertkunnskap. Verdiene som brukes av den kunnskapsbaserte klimaregulatoren måles i klimaprosessen. Verdiene analyseres videre og bearbeides komplekst av regulatoren.. Regulatoren vet nå at forstillingssignal y må gis ut i tilstand x. Dermed kan regulatoren reagere allerede før situasjoner oppstår, og det f.eks. skjer en uheldig underskridelse av skalverdien. De nødvendige PI-regulatorkomponentene som arbeider parallelt har bare en korrigerende inngripende funksjon på forstillingsdelen til kunnskapsgrunnlaget. Dermed reduseres reguleringsområdet betydelig, noe som har positive konsekvenser for regulatorens arbeidsmåte når det gjelder stabilitet og robusthet.

7 Fig. 4. Karakteristikk regulatorutgang for varmeregistret med tre avvik: X1 X2 X3 Avvik varmekrav Avvik avfukting Avvik vifteturtall For å registrere et behovstilpasset forstillingssignal for anleggskomponentene som varmebatteri, luftkjøler, varmegjenvinning og luftspjeld må det produseres en forstillingssekvens som fullstendig utnytter komponenter som f.eks. varmegjenvinning eller blandespjeld, før energikrevende anleggsdeler aktiveres. Med bedre reguleringskvalitet trenger man takket være den kunnskapsbaserte regulatoren, mindre energi enn med konvensjonelle PID-regulatorer. Man oppnår høy reguleringskvalitet takket være: Hurtig forskyvning av kurver hvis avvik. Små oversvingninger Moderate forstillingssignal til reguleringsventiler (lite bevegelse) Liten innflytelse på delprosessene oppvarming, kjøling og fuktig og avfuktig under hverandre og reduserer dermed hyppigheten av feil Regulatoren er meget robust overfor avviksvirkninger Reduksjon av unødvendig energiforbruk takket være optimal koordinering av enhetene i prosessen. Redusert slitasje på anlegget på grunn av moderate bevegelser i pådragsorganer. 1 1 Kilde - Prof.Dr.Christian Rähder - Energieoptimaler Betrieb durch Koordination der Luftbehandlungen

8 7. CO2-regulering og varmegjenvinning Man kan oppnå et innsparingspotensiale på 30 til 50 % ved bruk av en CO2- regulering. Denne reguleringen overstyrer andelen uteluft og volumstrømmen på grunn av viftens turtall. På denne måten tilføres det friskluft bare når CO2- skalverdien underskrides 1. Bruk av varmegjenvinning med høy virkningsgrad eller nattekjøling kan videre føre til at energieffektiviteten øker. 8. Regelmessig inspeksjon og vedlikehold av anleggene Regelmessig vedlikehold av anleggene er en viktig faktor for å oppnå høye energieffektivitetsverdier. Ved bruk av moderne reguleringsteknikk kan vedlikeholdsplanene legges direkte inn i regulatoren. Det kan defineres et vedlikeholdsintervall for hver enkelt koblingskommando eller hvert prosess/ komponent. Når vedlikeholdsintervallet inntreffer, avgis det en vedlikeholdsalarm på regulatoren. Disse aktiveres kun når det er avtalt med kunden at regelmessig vedlikehold er ønskelig. Kun teknologi beregnet for bygningsautomasjon garanterer denne effektive bruken av vedlikeholdsplaner. Konklusjon De lave energiprisene vil ikke vare lenge, og de vil stige igjen. Også av miljømessige årsaker må energieffektiviteten i bygninger økes permanent, noe utallige regjeringer over hele verden har innsett og som de krever og fremmer i programmer for sine bygninger. Man kan oppnå innsparinger i bygninger ved å bruke optimalisert regulering med relativ lav kostnad. En moderne og effektiv regulerings- og bygningsteknikk bidrar betydelig til å øke energieffektiviteten i bygninger. Den gir pålitelig og omfattende testede reguleringsfunksjoner, som ivaretar de høyeste krav til energieffektivitet. 1 Du finner mer informasjon om temaet CO2-regulering under

9 Løsningen Figur 1 4: CentraLine Forfatter: Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH Se flere detaljer og relaterte artikler om Energieffektivitet på CentraLine websiden eller kontakt oss direkte. CentraLine Honeywell AS Askerveien 61 Boks 263, 1372 Asker Tlf