Inteligentny budynek – znaczenie instalacji HVAC i OZE

Aby do minimum obniżyć zużycie energii przez różnego rodzaju urządzenia przy zachowaniu pełnego komfortu, konieczne jest zastosowanie odpowiedniego systemu sterowania, który dostosuje wewnętrzne instalacje budynku do aktualnego zapotrzebowania.

Sterowanie – nowe możliwości

Nowoczesne rozwiązania sterujące pozwalają na sterowanie urządzeniami grzewczymi, które dotychczas wymagały ręcznej obsługi tak jak np. kotły na biomasę.

Są już dostępne sterowniki, które umożliwiają regulację działania podajnika, a tym samym sterowanie mocą grzewczą. Zwiększa to nie tylko efektywność pracy instalacji grzewczej, ale także komfort jej obsługi.

Sterownik ma możliwość regulowania także wentylatora nadmuchowego i pompy obiegowej, a także funkcję ustawiania harmonogramów. Bezobsługowa praca kotła i jego działanie na zaplanowanych parametrach to czynniki ważne dla każdego użytkownika.

Praktyczną innowacją, która pojawiła się na rynku, jest regulator pomieszczeniowy, który sam się uczy, na jakich parametrach pracować. Na podstawie zmieniających się w ciągu dnia warunków panujących w pomieszczeniu regulator zapamiętuję porę ich wystąpienia. Dzięki tej funkcji urządzenie z wyprzedzeniem ustawia parametry instalacji, tak żeby warunki były możliwie komfortowe, a zmiana parametrów – płynna [1].

Ciekawe rozwiązania

Sporym wyzwaniem, jeżeli chodzi o automatykę budynkową, jest projektowanie sterowania instalacjami grzewczymi zasilanymi z różnych źródeł jednocześnie (hybrydowymi), np. przez kocioł i kolektory słoneczne.

Przykładem może być instalacja solarna Zakonu o.o. Salezjanów w Oświęcimiu, gdzie na dachu budynku zamontowano kolektory słoneczne (rys.1). Algorytm działania jest tu następujący: kolektory podgrzewają wodę na potrzeby c.w.u., jeżeli energia solarna okaże się niewystarczająca, dodatkowo załączany jest gazowy podgrzewacz. Układ z kolektorami oddzielony jest od reszty instalacji za pomocą dwóch wymienników płytowych, do których dopływ czynnika grzewczego sterowany jest poprzez zawór przełączający. W ten sposób jeżeli pojawią się uzyski energii solarnej, magazynowana jest ona w zbiorniku buforowym.

Innym przykładem może być układ sterowania ogrzewaniem w 11 niezależnych budynkach wielorodzinnych w Krakowie (rys.2).

Inwestor, chcąc ułatwić sobie nadzór nad położonymi w dużej odległości od siebie kotłowniami, postanowił stworzyć spójny układ sterowania, który pozwoli na swobodne zarządzanie tymi obiektami z dowolnego miejsca.

Zamontowanie sterowników microPLC oraz doposażenie instalacji w czujniki obniżonego ciśnienia wody w instalacji ogrzewania oraz systemie solarnym, a także zaprogramowanie stanu awarii w szafie sterującej umożliwiło realizację tego planu.

Do kotłów doprowadzono łącze internetowe, a w sterowniku zdefiniowano monitoring danych z pracy instalacji.

System może być kontrolowany zarówno z siedziby firmy serwisującej, jak i przez urządzenia mobilne.

Kompleksowy system monitoringu działania instalacji grzewczej zainstalowano także w Krakowie w 11 wymiennikowniach o mocy 200 kW każda (rys. 3). Układ sterowania wymiennikami każdego z budynków podłączono do istniejącej w obiekcie sieci internetowej. Instalację grzewczą dodatkowo doposażono w czujniki ciśnienia, dzięki czemu można sprawdzić jej napełnienie. Dane z pracy instalacji w budynkach są gromadzone w sterowniku, a następnie analizowane. Dzięki tym działaniom możliwa była korekta parametrów regulacyjnych, w następstwie czego koszty ogrzewania obniżyły się o ok. 10%.

Inteligentne sterowanie stosowane jest nie tylko w instalacjach grzewczych, ale także wentylacyjnych.

Przykładem może być układ centrali wentylacyjnej bloku operacyjnego w szpitalu w Bochni. Wyposażono go w nagrzewnicę wodną, elektryczną, chłodnicę glikolową i dwustopniowy układ freonowy do schładzania oraz nawilżacz parowy. Temperatura nawiewu ustawiana jest na podstawie zmierzonej temperatury powietrza wywiewanego. Chłodzenie w centrali w pierwszej kolejności realizuje chłodnica glikolowa, ale w razie konieczności odebrania dużych zysków ciepła dodatkowo załączany jest układ freonowy.

Coraz częściej do ogrzewania wykorzystuje się odnawialne źródła energii.

Sterowanie układu z dwiema pompami ciepła, kotłem kondensacyjnym oraz instalacją solarną wykonano w budynku Komendy PSP w Oświęcimiu (rys. 4). Głównym źródłem energii jest tam pompa ciepła powietrze/woda, której działanie uzależnione jest od temperatury zewnętrznej oraz gruntowej.

Druga pompa ciepła działa do momentu, gdy temperatura powietrza spadnie do –8°C, załączany jest wtedy kocioł kondensacyjny. Jest to także zapasowe źródło ciepła w przypadku awarii pomp ciepła.

Instalacja c.w.u. zaopatrywana jest przez próżniowe kolektory słoneczne. Nadmiar energii magazynowany jest w zbiornikach buforowych, które mogą zasilać obiegi grzewcze oraz system wentylacji.

Zintegrowanie fotowoltaiki w budynku inteligentnym

W związku z rozwojem hybrydowych źródeł ciepła konieczne staje się spinanie nowatorskich rozwiązań w jeden inteligentny system. Przykładem ciekawego projektu jest modernizacja budynku jednorodzinnego, tak aby stał się plusenergetyczny.

Technologią wykorzystaną w modernizowanym budynku jest hybrydowy układ zasilania składający się z turbiny wiatrowej, ogniw fotowoltaicznych, pomp ciepła i kolektorów słonecznych. Rozwiązanie ma na celu uniezależnienie się od zewnętrznych dostaw energii i poprawę komfortu mieszkańców.

Przed modernizacją obiekt zużywał na potrzeby ogrzewania 39,56 MWh/rok, a energii elektrycznej 3,6 MWh/rok. Do modernizacji źródła ciepła wykorzystano poza kotłem kondensacyjnym:

• turbinę wiatrową o mocy 2 kW, która wedle szacunków pozwala uzyskać 4 MWh energii rocznie,
• 15 baterii słonecznych o łącznej produkcji energii elektrycznej ok. 2,92 MWh/rok,
• gruntową pompę ciepła – przewidywana ilość wytwarzanej energii to 34 MWh/rok przy zużyciu 6,6 MWh/rok
• oraz kolektory słoneczne umożliwiające uzysk energii w wysokości 7,49 MWh/rok [2].

Kluczem do obniżenia zapotrzebowania obiektu na energię jest integracja wszystkich elementów budynku w spójnie działającą całość. Było to możliwe dzięki obniżaniu temperatury w nocy oraz automatycznemu wyłączaniu grzejników w momencie otwarcia okna.

W modernizowanym obiekcie rozwiązaniem spinającym wszystkie instalacje jest magistrala KNX. Bilans energetyczny budynku po modernizacji przedstawiono w tabeli.

Inteligentne rozwiązania w połączeniu z zastosowaniem hybrydowych systemów produkcji energii mogą znacznie obniżyć zapotrzebowanie na moc w budynku, a zatem także koszty jego użytkowania. W opisanym powyżej rozwiązaniu już samo zastosowanie inteligentnego sterowania BMS pozwoliło zaoszczędzić 1,95 MWh energii w ciągu roku.

Literatura

1. Materiały firm oferujących systemy do sterowania instalacjami HVAC
2. Popczyk J., Kurek S., Inteligentny dom plus energetyczny, www.ilabepro.polsl.pl.3. Materiały z realizacji rozwiązań ze sterownikami microPLC wykonanymi przez Altel.