... med intelligent reguleringsteknik

Transkript

1 Energieffektivitet Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 02 I 2009 Takket være avanceret og intelligent reguleringsteknik er det især i erhvervsmæssigt benyttede bygninger muligt at udnytte betydelige potentialer med henblik på at opnå energi besparelser. Her kan for eksempel klassiske reguleringsalgoritmer afløses af nyudviklede, højeffektive og energibesparende løsninger. Nye metoder muliggør ikke blot maksimal ener gieffektivitet samtidig med, at kravene til komforten overholdes optimalt, men disse metoder sikrer også en længere anlægslevetid og gør det muligt at forlænge tidsrummet mellem de enkelte serviceeftersyn. Der kan således opnås besparelser på op til 15% alene ved en opti mering af reguleringsparametrene. I det følgende beskrives de væsentligste påvirkningsfak torer for de energibesparelser, som kan opnås ved anvendelse af avancerede reguleringsanlæg i høj kvalitet samt forskellige optimeringsmuligheder på installationssiden ved anvendelse af vidensbaserede regulatorer. Energieffektivitet Energieffektiviteten i en bygning er ikke blot summen af varmeisoleringsegenskaberne for vægge, tag og vinduer, konstruktionen og udførelsen (isoleringen) samt størrelsen af de udvendige flader, hvor igennem varmen eller kulden kan undvige. En væsentlig faktor for forøgelsen af energieffek tiviteten er også kvaliteten af den anvendte reguleringsteknik. I det følgende beskrives nogle reguleringsalgoritmer, som er afgørende for en forøgelse af energieffektiviteten i varme- og klimaanlæg.

2 1. Energieffektive reguleringsfunktioner Energieffektive reguleringsanlæg starter kun varmegeneratorerne, når en varmeforbrugende enhed kalder på varme. Det betyder, at enhver varmeforbrugende enhed det være sig en varme kreds, et varmtvandsaggregat, et ventilationsanlæg eller en enkeltrumsregulering sender en besked med dens aktuelle setpunkt til varmegeneratorerne på netop det tidspunkt, hvor den i løbet af sin brugstid har brug for varme. Da brugstiderne for hver enkelt varmeforbrugende enhed kan indstilles individuelt, leveres der ingen unødig varme, hvilket igen sænker varmetabene. Fig. 1: Typisk varmeanlæg 2. Varmekredsregulering I de fleste anlæg anvendes der af omkostningsmæssige årsager udelukkende varmeregu leringer med vejrafhængig regulering af fremløbstemperaturen. Ud over dimensioneringen af radiatorerne har også varmekurveindstillingen stor indflydelse på energieffektiviteten. En større radiatorydelse tillader med en optimeret regulering hurtigere opvarmning og større sænkning af fremløbstemperaturen. Den lavere fremløbstemperatur betyder reduktion af rørledningstabene, som igen afhænger af rørledningslængden og kvaliteten af isolerin gen. Ved lavtemperaturkedler og kondenserende kedler er det dermed også muligt at sænke retur temperaturen, hvilket igen har gunstig indvirkning på røggas- og strålingstabene og muliggør en bedre udnyttelse af kondenseringen. Ud fra et reguleringsteknisk synspunkt skal indstillingen af varmekurven her tillægges større betydning. En forskydning af udgangskurven med +/- 5 K ændrer energiforbruget med +/- 19%. 1 1 Kilde - Forschungszentrum Jülich Besparelsesmuligheder i energiforsyningen af beboelsesejendomme ved hjælp af informationsteknologier (Einsparpotentiale bei der Energieversorgung von Wohngebäuden durch Informationstechnologien).

3 For at mindske ulemperne ved en vejrafhængig regulering af fremløbstemperaturen er det altså vigtigt, at den anvendte reguleringsteknik holder fremløbssetpunktet så lavt som muligt. Spe cielle regulatorer som f.eks. Tiger eller Panther fra CentraLine by Honeywell klarer dette problem ved en automatisk tilpasning af varmekurven, som dermed tilpasses til bygningen. Med en vejrafhængig regulering er det desuden heller ikke muligt at registrere påvirknin gerne fra solindfaldet og den varme, som frembringes af apparater/ udstyr eller antallet af personer, der befinder sig i rummet. Hver person producerer immervæk ca W varmeeffekt. Disse ulemper kan der kun kompenseres for med en enkeltrumsregulering. 3. Pumperegulering Yderligere besparelsesmuligheder gemmer sig i behovsstyrede varmecirkulationspumper: I mange tilfælde kører pumper døgnet rundt med maksimalt omdrejningstal. Specielt ved store for syningspumper på mere end 100 kw ydelse er der et stort besparelsespotentiale. Ved risiko for frost er det ganske vist nødvendigt, at pumperne kører kontinuerligt. Men hvis pumperne kun kører ved temperaturer over frostsikringsgrænsen og når der rent faktisk er brug for energi, kan der spares mindst 30 til 60% af den forbrugte elektriske energi. 4. Regulering af varmegeneratorerne Hvis der i forbindelse med moderniseringen af reguleringsteknikken også står en udskiftning af kedelanlægget på programmet, kan det betale sig at installere kondenserende kedler. De større anskaffelsesomkostninger betaler sig selv tilbage i løbet af få år på grund af lavere energiomkost ninger. Også alternative varmegeneratorer som f.eks. varmepumper bør tages i betragtning. Nogle reguleringsstrategier indeholder f.eks. funktioner til effektiv regulering af kedler, kaskadekoblede kedler eller integration af alternative og miljøvenlige varmegeneratorer. Disse grupperes da samti digt således, at de miljøvenlige varmegeneratorer altid har prioritet og de konventionelle varme generatorer altid kun benyttes til dækning af spidsbelastninger. Reguleringsstrategien sørger for, at det altid kun er den nødvendige varmeydelse, der stilles til rådighed, og at varmegeneratorerne derfor arbejder med maksimal virkningsgrad. Dette opnås ved at sammenligne de varmeydelser, der rekvireres af de varme forbrugende enheder og som stilles til rådighed af varmegeneratorerne. Da kedlerne kører længst muligt, og fordi antallet af start/stop-sekvenser dermed også bliver færrest mulige, bidrager reguleringsstrategien således også til, at kedlernes levetid forlænges.

4 5. Regulering af varmegeneratorerne med en vidensbaseret reguleringsalgoritme Nogle regulatorer giver også mulighed for at regulere varmegeneratorerne ved hjælp af en videns baseret reguleringsalgoritmer. Ved denne reguleringsmetode opnås en klar forbedring i regulerings egenskaberne. Kaskadekoblede kedler indkobles så kun, hvis der rent faktisk er behov for yderligere kedelkapacitet. Ud over reguleringsafvigelsen, som også evalueres ved klassiske reguleringsmetoder, tager den vidensbaserede regulator højde for vigtige fejlstørrelser som f.eks. returtemperaturen eller gennemstrømningen på sekundærsiden. Dermed er udgangen for reguleringsblokken den nødven dige kedelkapacitet for hele anlægget, som så omsættes til de aktuelle varmegenerator-indstillings signaler. Vidensbasen, som udgør en betydelig del af indstillingssignalet, tilpasses automatisk via reguleringsafvigelsen. Reguleringsalgoritmen er udstyret med en statisk optimeringsalgoritme, som i tilfælde af forekommende reguleringsafvigelser selvstændigt foretager tilpasninger i vidensbasen. Regulatoren tilpasser sig altså selvlærende til anlægget, og den omstændelige og tidskrævende ind regulering af anlægsparametrene i forbindelse med idrifttagningen bortfalder derfor. Fig. 2: Diagram. Vidensbasens udgangssignal som funktion af de to fejlstørrelsesindgange: Når én af de to fejlstørrelser gennemstrømning eller temperaturforskel resp. fremløb/tilbageløb er lille, så er også indstillingssignalet til varme generatoren lille. Hvis begge de ovennævnte fejlstørrelser er maksimale, så er der også brug for den maksimale kedel kapacitet.

5 Fordelene ved den vidensbaserede reguleringsmetode i varmeanlæg er følgende: Stabil kedelregulering uden udsving Eliminering af unødvendige start/stop-sekvenser ved kaskadekoblede kedler og dermed forlængelse af anlæggets levetid og tidsrummet mellem de enkelte serviceeftersyn Små temperaturgradienter på kedelkomponenterne (mindre slitage) Optimal kedelgennemstrømning og dermed optimal kedeldrift Præcist og stabilt setpunkt, som tillader en bedre regulerbarhed af varmekredsventilen Varme konstant til rådighed iht. den varmeforbrugende enheds programmerede behov Sænkning af energiforbruget som følge af arbejdspunktoptimale indstillingsindgreb 1 6. Effektiv regulering af ventilationsanlæg Det store energiforbrug i ventilationsanlæg skyldes ofte, at ventilationsanlægget er overdimensio neret. En reduktion af volumenstrømmen til de nødvendige minimale luftskifter kan spare fra 30 til 50% af den forbrugte energi. En optimalt koordineret regulering af temperatur, fugtighed og volumenstrøm kan herudover spare 10 til 15%. 1 Kilde - Prof. Dr. Christian Rähder Realisering af en MaxXControl-regulator for kedler i kaskadekobling. Optimal styring af driften ved hjælp af behovsstyret regulering. (Die Realisierung eines MaxXControl- Reglers für Kessel folgeschaltungen. Optimale Betriebsführung durch bedarfsgeführte Regelung).

6 Fig. 3: Klassisk klimaanlæg I konventionelle ventilationsanlæg arbejder temperatur-, relativ fugtigheds- og ventilatorhastigheds regulatorer (volumenstrømsregulator) uafhængigt af hinanden. I en sådan opstilling er udsving og energispild så at sige forudprogrammeret. Ved regulering af de enkelte komponenter i klimaanlæg kan der opstå følgende problemer: Samtidige udsving i temperatur og relativ fugtighed For store indstillingsudsving ved fejlkompensation og dermed unødvendigt energiforbrug Stor belastning af ventiler og pumper ved udsving i indstillingsværdierne (f.eks. hyppige koblingssekvenser) Unøjagtig overholdelse af setpunkter ved fejlpåvirkninger. Regulatorer fra CentraLine by Honeywell giver mulighed for at anvende en vidensbaseret reguleringsalgoritme, som eliminerer alle de nævnte ulemper og i væsentlig grad bidrager til en effektiv udnyttelse af anlæggene. I overensstemmelse med grundtanken bag vidensbaseret informationsbehandling bestemmes det nødvendige indstillingsarbejde i klimaregulatoren ikke blot af regulatorkomponenten, men også af evalueringen af en vidensbase, som er baseret på ekspertviden. De størrelser, som benyttes af den vidensbaserede klimaregulator, måles i klimaprocessen og står derfor til rådighed, således at yderligere sensorer normalt ikke er nødvendige. Størrelserne evalueres dog mere komplekst af regulatoren. Regulatoren ved nu, at der i tilstand x skal afgives et indstillingssignal y. Derfor kan regulatoren allerede reagere, inden den ændrede situation har indflydelse på reguleringsstørrelsen og der for eksempel sker en utilladelig setpunkt-underskridelse. De parallelt arbejdende og nødvendige PI-regulatorkomponenter har som supplement til vidensbasens indstillingsandel

7 kun en korrigerende indgribende funktion. Dermed reduceres reguleringsområdet betydeligt, hvilket har positive konsekvenser for regulatorens funktionsmåde med hensyn til stabilitet og robusthed. Fig. 4. Diagram-reguleringsudgang for varmeregisteret med tre fejlstørrelser: X1 X2 X3 Fejl varmerekvirering Fejl affugtning Fejl ventilatorhastighed Til beregning af et behovstilpasset indstillingssignal for anlægskomponenterne så som luftvarmer, luftkøler, varmegenvinding og luftspjæld skal der genereres en indstillingssekvens, som fuldt og helt udnytter komponenter som f.eks. varmegenvinding eller blandingsspjæld, inden der kaldes på mere energiforbrugende dele af anlægget. Med den vidensbaserede regulator opnås der med mindre energi en bedre reguleringskvalitet end med konventionelle PID-regulatorer. Den høje reguleringskvalitet opnås i kraft af:

8 Hurtig indregulering Ubetydeligt oversving Moderate indstillingssignaler på indstillingsventiler (minimale amplituder, rolig indstillingskarakteristik) Ubetydelig indbyrdes påvirkning af delprocesserne opvarmning, køling, samt be- og affugtning og dermed nedbringelse af undgåelige fejl Stor regulatorrobusthed over for fejlpåvirkninger Reduktion af unødvendig energianvendelse ved optimal koordinering af luftbehandlingen Mindre slitage på anlægget som følge af moderat bevægede aktuatorer CO2-regulering og varmegenvinding En besparelsesmulighed på fra 30 til 50% ligger også i anvendelsen af en CO2-regulering. Denne regulering overstyrer udeluftandelen og volumenstrømmen ved hjælp af ventilatorhastig heden. Derved tilføres der kun friskluft, hvis CO2- setpunktet overskrides1. Udnyttelse af varme genvinding med høj virkningsgrad (denne kan være på op til 80% ved anvendelse af kondenserende kedler) eller fri natkøling kan resultere i en yderligere forøgelse af energieffektiviteten. 8. Regelmæssigt eftersyn og vedligehold af anlæggene Et vigtigt element i opretholdelsen af høje energieffektivitetsværdier er de regelmæssige serviceeftersyn af anlæggene. Ved anvendelsen af avanceret reguleringsteknik kan planerne for serviceeftersyn indlæses direkte i regulatorerne. Der kan således for hver enkelt koblingskommando eller for hver enkelt aktuator defineres et serviceringsinterval. Efter udløbet af dette interval signa leres der på regulatoren en eftersynsalarm. Denne funktion aktiveres kun, hvis det med kunden er aftalt, at der ønskes regelmæssige serviceeftersyn. Denne særdeles effektive anvendelse af service eftersynsplaner sikres kun ved anvendelse af en intelligent bygningsstyring. 1 Kilde - Prof.Dr.Christian Rähder Energioptimal drift ved koordinering af luftbehandlingen (Energieoptimaler Betrieb durch Koordination der Luftbehandlungen)

9 Facit Tiderne med lave energipriser varer sikkert ikke længe, og så stiger priserne igen. Men også af miljøbeskyttelsesmæssige årsager er det nødvendigt at øge energieffektivite ten i bygninger permanent, hvilket utallige regeringer verden over har erkendt og derfor kræver og støtter økonomisk i forskellige bygningssaneringsprogrammer. Med en relativt lille investering kan man ved at anvende optimeret regulering opnå besparelser i bygnin ger. En moderne og effektiv regulerings- og bygningsstyringsteknik yder et væsentligt bidrag til en forøgelse af energieffektiviteten i bygninger. Denne teknik byder på vel kendte og grundigt gennemprøvede reguleringsfunktioner, som lever helt op til de meget høje krav, der stilles til energieffektivitet. Kildehenvisninger Fig. 1 4: CentraLine Forfatter: Edgar Mayer Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH Se flere detaljer og relaterede artikler om energibesparelser på Centralines hjemmeside eller kontakt os direkte. CentraLine Honeywell A/S Strandvejen Hellerup Tel