Komputerowe zarządzanie energią w halach przemysłowych

Racjonalizacja zużycia energii i mediów przy zachowaniu komfortu dla użytkowników oraz warunków technologicznych jest niezbędnym elementem działalności każdego przedsiębiorstwa przemysłowego, prowadzącym do oszczędności energii pierwotnej i emisji CO₂.

Optymalizacja w zakresie zarządzania procesem produkcyjnym i racjonalizacji użytkowania oraz niewielkie inwestycje w sprzęt i wyposażenie pozwalają osiągnąć oszczędności w zużyciu energii. Przy czym optymalizacje procesu technologicznego mogą przynieść znaczną redukcję kosztów zużycia wody i energii – nawet do 50% [4].

Na całym świecie inżynierowie i projektanci pracują nad racjonalizacją procesu projektowania budynków tradycyjnych i niskoenergetycznych oraz metodami szacowania rocznego zapotrzebowania na ciepło. Stosują w tym celu metody symulacji dynamicznej, modele predykcji w warunkach ustalonych oraz modele statystyczne wykorzystujące metody regresji [1, 3].

W artykule skupiono się na metodach ograniczenia zużycia energii w halach produkcyjnych przy wykorzystaniu komputerowych systemów zarządzania energią, z publikacji [1, 5] wynika bowiem, że tego typu systemy są powszechnie stosowane w budynkach biurowych i użyteczności publicznej, natomiast brakuje publikacji dotyczących ich zastosowania w obiektach typu przemysłowego.

Zarządzanie energią w hali przemysłowej

Zdecydowaną większość budynków przemysłowych stanowią obiekty mające za zadanie realizację określonego celu produkcyjnego. Może się w nich odbywać bezpośrednia produkcja, montaż lub magazynowanie materiałów i wyrobów. Są one wyposażane w stałe lub ruchome urządzenia technologiczne (maszyny, suwnice, podnośniki, ciągi transportowe i instalacyjne) zapewniające prawidłowy przebieg produkcji, hale mogą również stanowić zaplecze produkcyjne (kotłownie, maszynownie itp.).

O kształcie i wielkości budynku halowego decydują wymagania eksploatacyjne, dlatego konstrukcja powinna być podporządkowana przeznaczeniu obiektu i jego prawidłowemu użytkowaniu. Dodatkowo pełnienie założonej funkcji technologicznej (produkcyjnej, eksploatacyjnej) oraz ochrona wnętrza przed wpływami otoczenia ma zasadniczy wpływ na konstrukcję budynku i wybór systemu grzewczo-wentylacyjnego, a tym samym za­rzą­dzania energią.

Praca systemu zarządzania energią (Building Energy Management Systems) w hali produkcyjnej ma na celu osiągnięcie odpowiednich warunków technologicznych oraz możliwego poziomu komfortu termicznego dla pracowników przy równoczesnym obniżeniu kosztów zaopatrzenia w energię i media w obiekcie poprzez wykorzystanie zaawansowanej technologii informatycznej, automatyki budynkowej BAS (Building Automation System), systemów EMS (Energy Management System) oraz numerycznych modeli energetycznych budynku.

Do poprawnej pracy niezbędna jest integracja wszystkich systemów oraz ich zdolność do modyfikacji, aktualizacji i reorganizacji odzwierciedlającej zmiany technologiczne i sposobów użytkowania oraz wpływy zewnętrzne.

Celem zarządzania energią jest zmniejszenie jej zużycia i kosztów oraz obciążenia środowiska, zapewnienie odpowiednich warunków technologicznych i komfortu cieplnego, a także stworzenie warunków do programowych działań, tak żeby w długoterminowym podejściu zarządzanie mogło się finansować ze swoich efektów – oszczędności kosztów paliw, energii i wody.

Ogólny warunek samofinansowania się inwestycji zakłada, że koszt usługi energetycznej po podjęciu działań energooszczędnych powinien być mniejszy bądź równy kosztom ponoszonym przed podjęciem działań energooszczędnych.

Zastosowanie komputerowego systemu zarządzania energią pozwala na [6]:

• kontrolowanie i sporządzanie raportów o zużyciu energii,
• przewidywanie (budżetowanie) zużycia energii,
• ocenę poziomu zużycia energii,
• realizację algorytmów ograniczających zużycie energii do dopuszczalnego poziomu,
• rozliczenie kosztów zużycia energii przez poszczególnych użytkowników (indywidualne rachunki za energię, ciepło, chłód i inne media).

Dzięki regularnemu kontrolowaniu zużycia energii przedsiębiorstwo jest motywowane do utrzymania budynku i jego instalacji na odpowiednio wysokim poziomie efektywności energetycznej, zmniejszając tym samym również obciążenie dla środowiska.

Wydaje się zatem, że stosowanie systemu zarządzania energią w przedsiębiorstwach jest konieczne. Należy jednak pamiętać, że system komputerowy jest jedynie narzędziem pomocnym w zarządzaniu energią i nie może funkcjonować bez obsługującego go personelu.

Energooszczędne funkcje BEMS

W zakładach przemysłowych istnieje wiele możliwości poprawy efektywności energetycznej, nie tylko samego procesu produkcyjnego, ale również wszystkich istniejących instalacji niesłużących bezpośrednio produkcji. Poniżej przedstawiono przykładowe rozwiązania umożliwiające osiągnięcie tego celu.

Podstawowym kryterium wyboru była możliwość zastosowania danego rozwiązania w halach produkcyjnych przemysłu lekkiego, w których odbywa się ręczny montaż elementów: 

• termoizolacja (np. termoizolacja przegród zewnętrznych, wymiana okien),
• ogrzewanie i chłodzenie (np. energooszczędne urządzenia i systemy odzysku ciepła i chłodu),
• ciepła woda użytkowa (np. instalacja nowych urządzeń, efektywne wykorzystanie cyrkulacji),
• oświetlenie (np. nowe energooszczędne żarówki i stateczniki, automatyczne systemy sterowania), 
• procesy produkcji (np. bardziej efektywne wykorzystanie sprężonego powietrza i kondensatu pary, kontrola zaworów, zastosowanie automatycznych i zintegrowanych systemów, energooszczędne tryby czuwania), 
• silniki i napędy (np. szersze wykorzystanie przemienników częstotliwości, silników energooszczędnych, sterowania elektronicznego, napędów bezstopniowych, zintegrowanego programowania aplikacji), 
• wentylatory, napędy bezstopniowe i wentylacja (np. nowe urządzenia/systemy, wykorzystanie wentylacji naturalnej),
• inne (np. nowe energooszczędne urządzenia służące do produkcji, optymalizacja zużycia energii poprzez regulację czasową, zmniejszenie strat w trybie czuwania), 
• reaktywne zarządzanie popytem (np. działania na rzecz zmian profilu obciążeń, systemy ograniczania obciążeń szczytowych), 
• charakterystyka wykorzystywanych środków transportu,
• działania powodujące zmiany zachowań komunikacyjnych. 

W większości już istniejących nowoczesnych hal typu lekkiego część z powyższych obszarów działań została wprowadzona na etapie projektu wykonawczego budowy.

Przeczytaj także: Zielona energia na stadionach Euro >>

Uwzględnione zostały normatywne wskaźniki przenikania ciepła dla przegród wewnętrznych i zewnętrznych, w tym okien, dobrano również urządzenia, które na etapie projektowania miały spełniać wymagania funkcyjne i energetyczne budynku halowego. W tych przypadkach poprawy efektywności energetycznej należy szukać w systemach BEMS. 

Poniżej przedstawiono wybrane algorytmy energooszczędnego sterowania możliwe do zastosowania w halach przemysłowych (bez ich szczegółowego opisu, tylko ogólna zasada działania):

• okresowe osłabienie w instalacji HVAC – oszczędność otrzymuje się poprzez ograniczenie lub odcięcie dostaw energii poza godzinami użytkowania pomieszczeń;
• praca cykliczna – oszczędność energii dzięki okresowemu wyłączaniu układu HVAC w procesie regulacji parametrów w pomieszczeniu lub strefie pomieszczeń. Po wyłączeniu parametry komfortu są utrzymywane dzięki akumulacyjności cieplnej pomieszczeń. Algorytm stosowany jest zarówno do sterowania w trybie ogrzewania, jak i chłodzenia pomieszczeń;
• regulacja zużycia energii – algorytm zapobiega przekroczeniu założonych limitów zużycia energii, bazując na przyroście wskazań licznika. W tym celu wyłączane są automatycznie urządzenia o wyznaczonej przez algorytm łącznej mocy, powodując tym samym nieprzekroczenie założonego limitu zużycia;
• algorytm regulacji nadążnej – oszczędność wynika z dopasowania dostaw energii do rzeczywistych potrzeb. Parametry komfortu utrzymywane są przy zużyciu najmniejszej możliwej ilości energii wynikającej z krzywej grzewczej;
• chłodzenie nocne – algorytm steruje pracą wentylacji mechanicznej poza godzinami pracy w celu wychłodzenia pomieszczeń latem powietrzem zewnętrznym o temperaturze niższej niż wewnętrzna. Algorytm umożliwia usunięcie z pomieszczenia ciepła zakumulowanego w ciągu dnia i zmagazynowania maksymalnej ilości chłodu;
• optymalna regulacja programowa (start/stop) – algorytm wyznacza dynamicznie optymalny czas uruchomienia i zatrzymania ogrzewania w obiektach z okresowym osłabieniem. Oszczędności uzyskuje się przez uniknięcie niepotrzebnego ogrzewania i wykorzystanie ciepła zakumulowanego w budynku;
• miękki rozruch – algorytm stosowany w celu uniknięcia szczytów energetycznych związanych z włączeniem instalacji;
  - rozruch rozłożony w czasie,
  - ochrona przed zamarzaniem, zarządzanie alarmami itp.

Przykłady efektów energetycznych

Do badań [7] wybrano halę produkcyjną elementów elektrycznych i elektronicznych firmy Wago zlokalizowaną we Wrocławiu. Budynek wyposażony jest w następującą infrastrukturę techniczną:

1. instalacje wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej,
2. instalacja centralnego ogrzewania wod­nego,
3. sztuczne oświetlenie i zasilanie elektryczne,
4. instalacje techniczne,
5. systemy wykrywania pożaru, włamania,
6. miejscowe układy automatycznej regulacji (BAS),
7. instalacje przygotowania ciepłej wody użytkowej i kanalizacji.

W oparciu o faktury za zużycie energii i mediów oraz istniejące opomiarowanie w postaci liczników energii elektrycznej i cieplnej określono procentowy udział kosztów energii elektrycznej, wody i gazu w bilansie rocznym i wyszczególniono koszty ponoszone wyłącznie przez badany obiekt. Roczny procentowy koszt poszczególnych mediów energetycznych zestawiono na rys. 1. 

Badania możliwych do uzyskania efektów energetycznych wynikających z zastosowania poszczególnych algorytmów energooszczędnych w systemie BEMS wykonano w drodze symulacji na modelu numerycznym obiektu (za pomocą programu IDA ICE 4.0), a następnie zweryfikowano eksperymentalnie na zainstalowanym w hali systemie WAGO BEMS. 

Z pośród wybranych algorytmów energooszczędnego sterowania możliwych do zastosowania w halach przemysłowych do symulacyjnego sprawdzenia wybrano tylko te, które wytypowano w wyniku przeprowadzenia analiz charakterystyki pracy centrali wentylacyjnej hali montażu oraz poniesionych kosztów energii elektrycznej i cieplnej. 

Na rys. 2 zestawiono funkcje ogólnie stosowane w systemach BEMS [5], algorytmy możliwe do zastosowania w hali montażu oraz wytypowane do symulacji programem IDA ICE 4.0.

Poniżej przedstawiono wyniki badań wpływu zastosowania energooszczędnych algorytmów na efekty zarządzania energią dla dwóch różnych systemów organizacji powietrza wentylacyjnego w hali. 

W pierwszym przypadku przeanalizowano algorytmy dla systemu ze stałym strumieniem powietrza (CAV). Zaproponowano obniżenie zadanej temperatury w pomieszczeniu oraz pracę wentylatorów według zadanego harmonogramu. 

W drugim przypadku, w związku z tym, że do wentylacji pomieszczeń o zmiennych obciążeniach cieplnych mogą być stosowane dwuprzewodowe systemy wentylacyjne o zmiennych strumieniach powietrza, przeanalizowano dokładnie te same algorytmy dla systemu ze zmiennym strumieniem powietrza (VAV) z uwzględnieniem kontroli parametrów w pomieszczeniu, takich jak: temperatura i stężenie CO2 (zarówno pojedynczo, jak i równocześnie).

Algorytmy dla systemu CAV

Najpierw sprawdzono wpływ na zużycie energii obniżenia temperatury zadanej z 24 do 20°C w hali montażu oraz wprowadzenia harmonogramu pracy wentylatorów przy uwzględnieniu typowego tygodnia pracy (sześć dni roboczych – pięć dni w systemie dwuzmianowym i dzień w systemie jednozmianowym). 

W kolejnym kroku sprawdzono, jak na całkowite zużycie energii w budynku wpłynie zastosowanie algorytmu złożonego. W ten sposób zbadano jednoczesny wpływ obniżenia temperatury i wprowadzenia harmonogramu pracy wentylatorów. 

Przeprowadzone symulacje z zastosowaniem prostych algorytmów energooszczędnych pozwalają stwierdzić, że obniżenie temperatury zadanej z 24 do 20°C przynosi oszczędności w całkowitym zużyciu rzędu 3,3%, ale z punktu widzenia zużycia energii na potrzeby ogrzewania oszczędności są prawie dwukrotnie wyższe i wynoszą 6,5%.

Ponadto możliwe jest osiągnięcie znacznych oszczędności dzięki wprowadzeniu harmonogramów pracy wentylatorów. Pozwala to uzyskać 14,4% oszczędności w całkowitym zużyciu energii, w tym do 47,6% oszczędności na samej energii elektrycznej. 

Równoczesne obniżenie temperatury i wprowadzenie harmonogramu pracy dla wentylatorów przyniesie oszczędności rzędu 32,5% całkowitego zużycia energii przez halę, 45,9% oszczędności energii cieplnej i 47,6% oszczędności energii elektrycznej niezbędnej do pracy wentylatorów. 

Zestawienie procentowego zużycia energii z rozbiciem na zużycie całkowite, energię elektryczną do napędu wentylatorów oraz energię cieplną w zależności od zastosowanego algorytmu zaprezentowano na rys. 3.

Przeprowadzone symulacje pozwalają stwierdzić, że dla badanej hali najlepszym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie algorytmu złożonego. 

Algorytmy dla systemu VAV

Najpierw sprawdzono wpływ sterowania systemem VAV w zależności od systemu kontroli – sterowanie według stężenia CO₂ w pomieszczeniu, sterowanie według zadanej temperatury oraz równoczesna kontrola CO2 i zadanej temperatury. Następnie sprawdzono, jak na zużycie energii wpłynie obniżenie zadanej temperatury oraz praca wentylatorów według harmonogramu.

Z przeprowadzonych symulacji (rys. 4) wynika, że zastosowanie prostych algorytmów energooszczędnych ze zmiennym strumieniem powietrza może doprowadzić do oszczędności w całkowitym zużyciu energii rzędu 14,5–39,3%. Jednak przy zastosowaniu algorytmu związanego ze sterowaniem według temperatury w pomieszczeniu przekroczono dopuszczalny poziom stężenia CO₂. 

Pozostałe dwa algorytmy w porównaniu z systemem CAV, dla którego został zastosowany algorytm nr 3 związany z obniżeniem temperatury oraz pracą wentylatorów wg harmonogramu, przynoszą znacznie mniejsze oszczędności energii zarówno elektrycznej, jak i cieplnej. Najbardziej odpowiednim energetycznie rozwiązaniem dla systemu VAV jest zastosowanie równoczesnej kontroli temperatury i stężenia CO₂. 

Dlatego w kolejnym kroku wykonano symulację tego rozwiązania wraz z dodatkowymi algorytmami obniżającymi zadaną temperaturę oraz sterującymi pracą wentylatorów według harmonogramu.

Porównując wyniki symulacji dla systemu CAV i VAV pod kątem oszczędności energii elektrycznej i ciepła, wyciągnięto wniosek, że nie ma konieczności zmiany systemu dostarczania powietrza do hali, gdyż różnica w całkowitym zużyciu energii wynosi zaledwie 5% na korzyść systemu VAV. Należy zauważyć, że zużycie energii elektrycznej dla tego rozwiązania jest o prawie 14% większe niż dla systemu ze stałym strumieniem powietrza. 

Na rys. 5 przedstawiono efekt ekonomiczny możliwy do osiągnięcia w trakcie eksploatacji obiektu przy zaimplementowaniu proponowanych algorytmów energooszczędnych w systemie WAGO BEMS.

Uzyskane dzięki pracy komputerowego systemu zarządzania energią WAGO BEMS oszczędności energetyczne i finansowe w procesie eksploatacji budynku hali produkcyjnej zachęcają do dalszych badań i ciągłego poszukiwania możliwości ograniczania zużycia energii. Opracowane dla hali montażu algorytmy oszczędzania energii można realizować w pozostałych obiektach produkcyjnych należących do tej firmy. 

Wnioski

Na podstawie wyników badań sformułowano następujące wnioski:

• Osiągnięcie racjonalnie niskiego zużycia energii w obiekcie przemysłowym wymaga stosowania kompleksowych rozwiązań w zakresie projektowania, analiz i eksploatacji. Zaleca się stosowanie aplikacji komputerowych (modeli energetycznych) wspomagających podejmowanie decyzji w procesie projektowania obiektów i ich instalacji, analiz energetycznych oraz poszukiwanie i opracowywanie algorytmów energooszczędnych.
• Potwierdzono przydatność symulacyjnych energetycznych modeli numerycznych obiektu do przeprowadzania kompleksowych analiz wielkokubaturowych obiektów, jakimi są nowoczesne hale przemysłowe. W badanej hali przemysłowej osiągnięto 13,6% oszczędności kosztów zużywanej energii poprzez optymalne wykorzystanie dostępnych układów automatyki budynkowej i zarządzanie energią w budynku w oparciu o wyniki symulacji energetycznych.
• Zaleca się prowadzenie dalszych badań nad komputerowymi systemami zarządzania energią w obiektach przemysłowych współpracujących z modelami energetycznymi w celu stworzenia skutecznego emulatora działającego w czasie rzeczywistym.

Literatura

1. Chlela F., Husaunndee A., Inard Ch., Riederer P., A new methodology for the design of low energy buildings, „Energy and Buildings” Vol. 41, 2009.
2. Chmielowski A., Nowicki J., Rubik M., Poradnik. Ogrzewanie, wentylacja, termorenowacja warsztatów, salonów wystawowych, magazynów, budynków przemysłowych, Warszawa 1997.
3. Citherlet S., Hand J., Assessing energy, lighting, room acoustics, occupant comfort and environmental impacts performance of building with a single simulation program, „Building and Environment” Vol. 37, 2002.
4. Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A., Raport dotyczący kluczowych polskich energochłonnych przemysłów, z identyfikacją ograniczeń we wdrażaniu efektywności energetycznej w zakładach oraz opracowaniem rozwiązań dla tych przemysłów, Warszawa 2008.
5. Syposz J., Jadwiszczak P., Zintegrowane systemy zarządzania energią w budynkach biurowych, Monografia Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk Vol. 41, Lublin 2007.
6. Syposz J., Jadwiszczak P., Systemy zarządzania energia w budynkach – kierunki rozwoju, X Międzynarodowa Konferencja Air&Heat, Wrocław 2002.
7. Żabnieńska-Góra A., Zarządzanie energią w halach przemysłowych, praca doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2011.