Ważnym mechanizmem napędowym w kierunku poprawy efektywności energetycznej są m. in. warunki polityczne i prawne, jak np. przyjęta ostatnio przez Komisję Europejską tzw. „Zielona Księga” efektywności energetycznej [1]. Zostały tu przedstawione opcje, w których dzięki zmianie warunków użytkowania, udoskonalaniu środków i technologii można zaoszczędzić do roku 2020 nawet 20% zużywanej energii. W związku z tym przyjęto także ostatnio najróżniejsze dyrektywy Unii Europejskiej, jak np. dyrektywę dotyczącą efektywności energii końcowej i usług energetycznych [2] oraz dyrektywę dot. efektywności energii całkowitej w budynkach [3].
     Wkład współczesnej automatyki, obok zadań pomiarowych i regulacyjnych w instalacji, umożliwia także ciągły nadzór, diagnozowanie i optymalizację pracy urządzenia podczas bieżącej eksploatacji. Zwłaszcza urządzenia chłodnicze odznaczają się wysoką dynamiką pracy, co musi być uwzględniane podczas zarządzania instalacjami. Technika chłodnicza nie może być tu rozpatrywana osobno. Raczej dla bardziej efektywnej i ekonomicznej eksploatacji obiektu niezbędne jest rozpatrywanie zagadnień techniki i dystrybucji energii łącznie z automatyzacją w całkowitym okresie użytkowania urządzenia.

Potencjał efektywności energetycznej w urządzeniach chłodniczych
     Stosowanie techniki chłodniczej jest obecnie tak powszechne i zrozumiałe, że rzadko zdajemy sobie sprawę, jaki jest udział chłodnictwa w ogólnym zużyciu energii. W poz. [4] oszacowano udział energii elektrycznej zużytej na potrzeby chłodnictwa na 14% (1999). W odniesieniu do zapotrzebowania na energię pierwotną, największy udział (67%) ma kompleks szeroko powiązany z żywnością (produkcja, transport, przechowywanie, sprzedaż, sprzęt AGD). W dalszej kolejności znajduje się klimatyzacja (21,7%) i chłodnictwo przemysłowe – 9,1%.
     Badania przeprowadzone w dużej masarni wykazały, że zapotrzebowanie energii na cele chłodnictwa i klimatyzacji wynosi ok. 50% całkowitego zużycia energii. W supermarketach udział chłodnictwa w zużyciu energii zwykle zawiera się w przedziale 40÷60%. W związku z tym, właśnie w takich obszarach zastosowań, w których chłodnictwo ma duży udział w całkowitym zużyciu energii, rozważenie środków poprawy efektywności energetycznej jest najbardziej racjonalne. (...)

Krok 1: Efektywność poprzez oszczędność
(...)

Krok 2: Efektywność energetyczna poprzez optymalizację zespołów i elementów składowych
(...)

Krok 3: Efektywność energetyczna dzięki nowoczesnej automatyce
(...)

Analiza żywotności urządzenia
     Często podczas decyzji inwestycyjnych rozpatruje się jedynie koszty inwestycyjne. Rzadko uwzględnia się natomiast we wczesnym stadium projektowania koszty eksploatacyjne zużytej energii, czynności obsługowych i napraw w okresie 10, 15 lub nawet 20 lat.
     W analizie żywotności urządzeń technicznych w budynku przestrzega się tzw. reguły 80/20%. W odniesieniu do całkowitych kosztów urządzenia w okresie eksploatacji, jedynie 20% kosztów uwzględnia się w fazie projektowania i budowy, a 80% kosztów odpada na rzecz późniejszych wydatków na: eksploatację, modernizację, obsługę oraz utylizację, patrz rys. 1.

     Innymi słowy: już po 5÷8 latach bieżące koszty eksploatacji w budynkach biurowych przekraczają poniesione nakłady inwestycyjne. W budynkach zaawansowanych technicznie (np. szpital, dworzec lotniczy) ten czas może być znacznie krótszy. W takim przypadku automatyka i systemy zarządzania budynkiem (BMS) stwarzają możliwość optymalizacji i ciągłego dostosowywania eksploatacji do aktualnej sytuacji.
     Inwestorzy w coraz większym stopniu domagają się od projektantów podawania nie tylko kosztów inwestycyjnych, lecz kosztów całkowitych w całym okresie użytkowania obiektu, np. 10 lat (dotyczy to różnych wariantów technicznych). W ten sposób można uwidocznić i uzasadnić ekonomicznie wszystkie efektywne technologie. Naśladownictwo zalecane!

Statyczna i dynamiczna analiza eksploatacji urządzeń chłodniczych
(...)

Rola automatyzacji
     Właściwe zrozumienie automatyki oznacza dziś, obok zadań pomiaru, sterowania i regulacji, także wykorzystanie wszechstronnego potencjału optymalizacji dla zarządzania energią i budynkiem. W zależności od zastosowania, cele optymalizacji mogą być jednak bardzo różnorodne i niekiedy przeciwstawne, p. rys. 4.
     Na ogół należy zwrócić uwagę na następujące wskazania:
• Automatyzacja jest na tyle dobra, na ile technologia i odwrotnie. Inaczej mówiąc: optymalne zastosowanie automatyzacji wymaga optymalnej technicznie instalacji, tak że dzięki automatyzacji może być wykorzystany potencjał optymalnej eksploatacji.
• Automatyzację samą w sobie można postrzegać, jako środek pomocniczy dla optymalnej pracy instalacji. Nie należy stosować tak dużo automatyki, na ile to możliwe, lecz tyle ile potrzeba w konkretnym przypadku zastosowania. Ale automatyzacja może także być zastosowana do zarządzania energią.
• Bez automatyki nie ma żadnej informacji o procesie. Bez informacji o procesie nie ma żadnej wiedzy. Bez wiedzy o procesie nie ma możliwości optymalizacji.
     Automatyzacja może następować stopniowo, jak to przedstawiono na rys. 5. (...)

Powiązanie zarządzania energią z zarządzaniem budynku
     O efektywności pracy poszczególnych urządzeń chłodniczych decyduje to, czy wszelkie niezbędne informacje o nich zostaną ujęte, przekazane do odpowiedniego miejsca, zarchiwizowane i zwizualizowane. Aby można było te informacje w sposób racjonalny wykorzystać, potrzebne jest odpowiednie zarządzanie informacjami w skali przedsiębiorstwa, oparte na otwartych systemach komunikacji, jak to ma w coraz większym stopniu miejsce w większych budynkach i nieruchomościach.
     Nie chodzi tu jedynie o realizację nadzoru i optymalizacji, lecz także o powiązanie takich zadań, jak nadrzędne zarządzanie energią, konserwacją i całym budynkiem, a także materiałami i personelem.
     Takie postępowanie umożliwia m. in. także archiwizowanie ważniejszych wielkości procesowych, np. przebiegów temperatury i ciśnienia, a także zużycia energii, a następnie późniejsze wykorzystanie tych danych. Ponadto, w systemie mogą być ujęte istotne dane z innych urządzeń. Takie postępowanie jest także określane, jako ogólna automatyka budynku, rys. 8. Jest przy tym ważne, aby już podczas projektowania urządzeń chłodniczych przewidzieć otwarte połączenia z systemem zarządzania budynkiem, dzięki czemu mogą w ten system być włączone urządzenia chłodnicze, obok innych instalacji. Dopiero wówczas można w pełni wykorzystać potencjał ekonomicznej eksploatacji instalacji chłodniczej.
     Wizualizacja instalacji i wskazywanie aktualnych danych procesowych na schematach dynamicznych stanowi nieocenioną podstawę właściwego nadzoru pracy instalacji chłodniczej. Przedstawiono to na przykładzie przełączalnego układu agregat chłodniczy – pompa ciepła, rys. 9.

Podsumowanie i perspektywy
     W niniejszym artykule omówiono efektywność energetyczną urządzeń chłodniczych, zwłaszcza na tle nowoczesnej techniki regulacji automatycznej. Próbowano dać odpowiedź na następujące pytania: Jak można zmienić tryb pracy na bardziej efektywny? Jaki udział w tym ma sama instalacja, a jaki – automatyka? W jakim miejscu znajdujemy się obecnie? Gdzie znajduje się potencjał? Jakie zalety ma włączenie techniki chłodniczej do systemu zarządzania budynkiem i energią?
     Z pewnością, niniejsze opracowanie na te pytania w pełni nie odpowie; raczej powinno być wskazówką dla celowego zastosowania automatyzacji w chłodnictwie i klimatyzacji. Ponieważ temat efektywności energetycznej zyskuje na znaczeniu, w przyszłości dla poprawy ekonomiki eksploatacji należy się liczyć z szerszym stosowaniem narzędzi opartych na automatyce i symulacji. (...)

Artykuł pierwotnie opublikowano w Die Kälte&Klimatechnik nr 5/2006.
Tłumaczył: dr inż. Andrzej Girdwoyń – Politechnika Warszawska

wydanie 6/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE