Hybrydowy węzeł cieplny z systemem IT wspomagającym zarządzanie zużyciem energii w budynkach
Polityka klimatyczna Unii Europejskiej oraz kryzys energetyczny wywołany wojną w Ukrainie wymuszają głęboką transformację energetyczną ciepłownictwa systemowego. Dostosowanie się do zachodzących zmian wymaga od przedsiębiorstw eksploatujących miejskie systemy ciepłownicze unowocześniania się oraz wzmacniania orientacji na klienta (końcowego odbiorcę ciepła).
Do najważniejszych czynników wymuszających zmiany w sposobie prowadzenia działalności przez przedsiębiorstwa ciepłownicze należy zaliczyć:
– cele polityki klimatycznej UE, w tym wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych (OZE) w systemach ciepłowniczych, obniżenie emisji CO2 i konieczność podnoszenia efektywności energetycznej budynków,
– dalsze ograniczanie ilości uprawnień do emisji CO2 przyznawanych bezpłatnie,
– objęcie systemem handlu uprawnieniami do emisji CO2 (ETS) budynków i transportu drogowego,
– zaostrzanie standardów energetycznych budynków.
Wszystkie powyższe tendencje będą się przekładały na dalszy spadek wielkości sprzedaży ciepła systemowego, co będzie wymuszać na przedsiębiorstwach ciepłowniczych zmianę modelu biznesowego. W nowym modelu biznesowym przedsiębiorstwa ciepłownicze będą rekompensowały spadek przychodów ze sprzedaży ciepła systemowego poprzez:
– świadczenie usług odbiorcom końcowym,
– integrację ciepła systemowego z rozproszonymi OZE i ciepłem odpadowym,
– oferowanie odbiorcom rozwiązań z obszaru inteligentnego budynku,
– podnoszenie efektywności energetycznej.
Docelowo zmieni się rola sieci ciepłowniczej: z obecnej – polegającej na przesyle ciepła w jednym kierunku od źródła ciepła do odbiorcy końcowego na rolę polegającą na integracji i bilansowaniu dostaw ciepła z wielu źródeł rozproszonych, w tym głównie OZE. Do rozwiązań, które wpisują się w trend transformacji ciepłownictwa systemowego, należy zaliczyć technologię hybrydowego węzła cieplnego wraz z system IT do zarządzania nim oraz efektywnością energetyczną w budynkach.
Technologia hybrydowego węzła cieplnego (węzeł zintegrowany z OZE)
Przez hybrydowy węzeł cieplny rozumie się węzeł wyposażony w akumulator ciepła, na który pracują różne źródła ciepła, w tym system ciepłowniczy oraz źródła odnawialne, takie jak panele słoneczne i pompa ciepła (istnieje możliwość integracji pompy ciepła z fotowoltaiką). Układ technologiczny hybrydowego węzła cieplnego opracowano dla istniejącego węzła, który funkcjonuje w jednej ze szkół podstawowych. Pierwotnie w przywołanym budynku źródłem ciepła był dwufunkcyjny kompaktowy węzeł cieplny równoległy z niezależną stabilizacją ciśnienia zarówno dla układu c.o., jak i c.w.u., oparty na wymiennikach płytowych. Układ c.w.u. był wyposażony w zasobniki c.w.u. o łącznej pojemności 1000 l wraz z układem ich ładowania.
Zamówiona przez właściciela szkoły moc cieplna u dostawcy ciepła wynosi:
– na potrzeby c.o. – 250 kW,
– na potrzeby c.w.u. – 50 kW.
Określając układ technologiczny węzła hybrydowego przyjęto następujące założenia:
– budowa węzła musiała wiązać się z najmniejszą możliwą ingerencją w układ hydrauliczny istniejącego węzła, co zasadniczo ogranicza nakłady inwestycyjne,
– akumulator ciepła został umiejscowiony po stronie wtórnej (niskociśnieniowej) węzła,
– akumulator ciepła miał umożliwiać jego ładowanie zarówno z systemu ciepłowniczego, jak i źródeł odnawialnych, natomiast jego rozładowanie musiało się odbywać zarówno na potrzeby instalacji c.o., jak i c.w.u.,
– układ hydrauliczny miał mieć możliwość ładowania akumulatora równocześnie z kolektorów słonecznych, jak i pompy ciepła,
– instalacja akumulatora wraz z odnawialnymi źródłami energii musiała zostać wpięta bezpośrednio w wewnętrzną instalację odbiorczą za węzłem cieplnym, co umożliwia wykorzystanie źródeł odnawialnych i akumulacji ciepła nawet w tych budynkach, w których węzeł cieplny należy do dostawcy ciepła,
– opracowane rozwiązanie układu hydraulicznego węzła hybrydowego miało być uniwersalne, to znaczy powinna istnieć możliwość dostosowania dowolnego typu węzła ciepłowniczego do sterowania popytem na ciepło, jak i wykorzystania w nim odnawialnych źródeł energii po stronie klienta końcowego.
Podczas modernizacji węzła cieplnego jego strona pierwotna nie uległa zmianie. Po stronie wtórnej zrezygnowano z istniejącego układu zasobników c.w.u. W miejscu tych zasobników postawiono akumulator ciepła o łącznej pojemności 2000 l (dwa zasobniki po 1000 l każdy). Schemat technologiczny hybrydowego węzła cieplnego przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat technologiczny hybrydowego węzła cieplnego
Źródło: Opracowanie własne
Ładowanie akumulatora „z sieci ciepłowniczej”
Węzeł został doposażony w układ ładowania akumulatora ciepła pośrednio z sieci ciepłowniczej poprzez wymiennik c.o. (trasa przepływu czynnika oznaczona na rys. 1 strzałkami z indeksem 1). Aby było możliwe ładowanie akumulatora z najwyższym dostępnym parametrem, bez zwiększania temperatury zasilania instalacji wychodzącej na budynek, wprowadzono układ podmieszania (układ wtryskowy) z dodatkowym zaworem regulacyjnym CO.ZR2, spinką zasilania z powrotem oraz pompą obiegową CO.Po2. Ładowanie akumulatora ciepła przebiega zatem następująco: układ sterowania utrzymuje zadaną (zazwyczaj najwyższą możliwą do uzyskania przy dostępnych parametrach na sieci ciepłowniczej) temperaturę zasilania za wymiennikiem ciepła c.o. Woda częściowo zostaje skierowana do akumulatora ciepła, a częściowo do zasilanego budynku. Dzięki zastosowaniu układu podmieszania możliwe jest utrzymanie temperatury zasilania wody kierowanej na budynek zgodnej z założoną krzywą grzewczą. Ilość wody kierowanej do akumulatora ciepła utrzymywana jest na zadanym poziomie za pomocą zaworu regulacyjnego CO.ZRzb1. Woda z akumulatora ciepła kierowana jest na powrót instalacji c.o., gdzie następuje jej zmieszanie z wodą powrotną powracającą z budynku. Woda powrotna po zmieszaniu kierowana jest na powrót wymiennika c.o., gdzie z powrotem zostaje podgrzana do temperatury wymaganej podczas ładowania akumulatora. Po zakończeniu ładowania akumulatora, temperatura zasilania za wymiennikiem c.o. wraca do poziomu zgodnego z krzywą grzewczą budynku. Dodatkowy układ podmieszania ustawiany jest na 100% przepływ do budynku.
Rozładowanie akumulatora na potrzeby c.w.u.
Trasę przepływu czynnika podczas rozładowania akumulatora na potrzeby c.w.u. oznaczono za pomocą strzałek z indeksem 2. Aby możliwe było wykorzystanie ciepła zgromadzonego w akumulatorze na podgrzanie c.w.u. przed istniejący układ hydrauliczny węzła wprowadzono dodatkowy wymiennik ciepła, będący swoistym „zerowym” stopniem podgrzewu c.w.u. W przypadku pracy układu bez wykorzystania akumulacji ciepła, woda zimna na potrzeby c.w.u. po zmieszaniu z cyrkulacyjną – przepływa przez niepracujący dodatkowy wymiennik (0.st_c.w.u.) i wprowadzona jest przed wymiennik ciepła węzła równoległego. Podgrzew wody realizowany jest w tym przypadku standardowo, z utrzymaniem stałej temperatury c.w.u. na wyjściu z wymiennika.
Podczas pracy z wykorzystaniem ciepła zgromadzonego w akumulatorze, po uruchomieniu pompy obiegowej (AK.Po) woda kierowana jest do dodatkowego wymiennika c.w.u. (0.st_c.w.u.) Strumień wody z akumulatora jest regulowany za pomocą zaworu regulacyjnego CWU.ZR2. Układ umożliwia wstępny podgrzew c.w.u. kierowanej do wymiennika węzła równoległego. W przypadku, gdy przy chwilowym poborze temperatura wody z wstępnego podgrzewu c.w.u. jest większa lub równa zadanej w układzie automatyki, zawór regulacyjny c.w.u (CWU.ZR1) zostaje zamknięty.
Zaletą takiego rozwiązania jest brak niebezpieczeństwa powstania ogniska legionelli (brak akumulacji c.w.u.) oraz możliwość wykorzystania czynnika, nawet o niskiej temperaturze, zgromadzonego w akumulatorze ciepła do wstępnego podgrzewu c.w.u.
Rozładowanie akumulatora na potrzeby c.o.
Trasę przepływu czynnika podczas rozładowania akumulatora na potrzeby c.o. oznaczono za pomocą strzałek z indeksem 3. Woda z powrotu budynku kierowana jest częściowo do akumulatora ciepła, a częściowo na powrót wymiennika c.o. Przepływ przez akumulator ciepła wymuszony jest pompą obiegową (AK.Po). Aby możliwe było wykorzystanie ciepła zgromadzonego w akumulatorze, temperatura wody na wyjściu z akumulatora musi być wyższa od temperatury powrotu c.o. Woda z akumulatora kierowana jest poprzez zawór regulacyjny CO.ZR3 przed wymiennik c.o., gdzie następuje zmieszanie wody powracającej z budynku i wychodzącej z akumulatora. W przypadku, gdy po zmieszaniu temperatura wody wchodzącej do wymiennika c.o. jest większa lub równa temperaturze wynikającej z krzywej grzewczej, zawór regulacyjny c.o. (CO.ZR1) zostaje zamknięty.
Ładowanie akumulatora z OZE
Rolę odnawialnych źródeł energii dla budynku pełni pole wodnych kolektorów słonecznych o powierzchni 24 m2 oraz powietrzna monoblokowa dwusprężarkowa pompa ciepła o mocy 16.4 kW (A7/W55). Ze względów technologicznych zdecydowano, iż w obu odnawialnych źródłach energii czynnikiem roboczym jest wodny roztwór glikolu. Z tego też względu układ ładowania akumulatora oddzielony jest od źródeł odnawialnych płytowymi wymiennikami ciepła. Zawór regulacyjny trójdrogowy OZE.ZR pozwala na wybór źródła ciepła, z którego ładowany będzie akumulator ciepła. Przepływ przy ładowaniu akumulatora z OZE wymusza pompa obiegowa OZE.Po. Zawór odcinający z słownikiem AK.Z2 służy do trwałego odcięcia układu źródeł odnawialnych. Zastosowany układ hydrauliczny umożliwia równoczesne ładownie akumulatora ze źródeł odnawialnych i jego rozładowanie na potrzeby c.o. i/lub c.w.u. Takie rozwiązanie pozwala na wykorzystanie nawet minimalnych ilości energii pozyskanych w układzie źródeł odnawialnych, szczególnie do podgrzewu wstępnego c.w.u.
System IT do zarządzania zużyciem energii w budynku wyposażonym w hybrydowy węzeł cieplny
Węzeł hybrydowy może poprawnie i optymalnie pełnić swoją funkcję wyłącznie po zainstalowaniu odpowiedniego oprogramowania posiadanego przez NG Heat. Dodatkowo rolą systemu IT jest zarządzanie zużyciem energii w budynkach. W szczególności funkcjonalność prezentowanego systemu informatycznego umożliwia:
– sterowanie i kontrolę pracy węzła cieplnego zintegrowanego z rozproszonymi źródłami ciepła (panelami solarnymi i/lub pompami ciepła zintegrowanymi z fotowoltaiką), ukierunkowaną na minimalizowanie poboru ciepła z systemu ciepłowniczego i tym samym kosztów zakupu ciepła przez odbiorcę końcowego,
– automatyczną i zdalną realizację nastaw pożądanych temperatur wewnątrz poszczególnych pomieszczeń w budynku – w zależności od sposobu i intensywności użytkowania obiektu, w tym poprzez udostępnienie użytkownikom pomieszczeń aplikacji na urządzenia mobilne,
– „spłaszczenie” profilu poboru mocy cieplnej z systemu ciepłowniczego przy zapewnieniu komfortu cieplnego w budynkach poprzez optymalne sterowanie ładowaniem i rozładowaniem zasobników zainstalowanych w węźle cieplnym,
– optymalizację krzywej grzewczej na wewnętrznej instalacji centralnego ogrzewania budynku w powiązaniu ze sposobem użytkowania obiektu i nastawami temperatur wewnętrznych na termostatach,
– zdalne sterowanie pompami obiegowymi c.w.u. i innymi oraz zdalne sterowanie temperaturą referencyjną c.w.u.,
– udostępnianie właścicielom/zarządcom budynków informacji o prognozowanych temperaturach zewnętrznych i o przewidywanym ich zapotrzebowaniu na moc cieplną 48 h do przodu,
– udostępnianie właścicielom/zarządcom budynków informacji o zużyciu przez nich ciepła i mocy cieplnej w czasie rzeczywistym i w różnych, historycznych przekrojach czasowych,
– udostępnianie właścicielom/zarządcom budynków informacji o osiągniętych przez nich oszczędnościach dzięki wdrożeniu systemu IT oraz rozproszonych źródeł energii,
– detekcję zakłóceń w pracy instalacji wewnętrznej.
Ogólny schemat architektury systemu informatycznego przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Architektura systemu informatycznego wspomagającego zarządzanie zużyciem energii w budynkach wyposażonych w hybrydowy węzeł cieplny
Źródło: opracowanie własne na podstawie informacji z NG Heat Sp. z o.o.
System informatyczny jest zbudowany w technologii kontenerowej w chmurze Amazon Web Services (AWS). Architektura systemu od strony funkcjonalnej została zaprojektowana jako zbiór współpracujących ze sobą komponentów, które można podzielić ze względu na pełnione role, czyli są to: centralna aplikacja pracująca w chmurze obliczeniowej, posiadająca front-end w postaci webowej oraz towarzysząca jej aplikacja na urządzenia mobilne, jednostka lokalna (LU), sterownik PLC, bramka/hub IoT oraz bramka VPN pracujące po stronie obsługiwanego węzła cieplnego i budynku, elementy pomiarowe oraz wykonawcze, takie jak: zdalnie sterowane termostaty, zawory, pompy obiegowe, czujniki temperatur, przepływu oraz ciepłomierze również pracujące po stronie obsługiwanego budynku.
Wszystkie wymienione powyżej funkcjonalności są realizowane za pomocą paneli systemu udostępnianych poszczególnym jego użytkownikom. System informatyczny posiada następujące panele dla poszczególnych ról:
– Panel Super Administratora, którym jest osoba wskazana przez operatora i właściciela systemu,
– Panel Zarządcy Budynku, którym jest osoba wskazana przez właściciela/zarządcę budynków,
– Panel aplikacji na urządzenia mobilne, który jest udostępniany użytkownikom poszczególnych pomieszczeń w budynku.
Przykładowe widoki z systemu informatycznego przedstawiono na rysunkach 3-6.
Rys. 3. Widok schematu synoptycznego węzła cieplnego wraz z naniesionymi zmiennymi
Źródło: System informatyczny NG Heat Sp. z o.o.
Rys. 4. Widok obszarów zarządzania energią w budynku
Źródło: System informatyczny NG Heat Sp. z o.o.
Rys. 5. Przykładowy schemat konfiguracji planu pracy wraz z podglądami pod nie
Źródło: System informatyczny NG Heat Sp. z o.o.
Rys. 6. Bilans cieplny budynku za wybrany okres
Źródło: System informatyczny NG Heat Sp. z o.o.
Przedstawiony powyżej system IT umożliwia osiągnięcie istotnych korzyści związanych ze zmniejszeniem zakupu ciepła z systemu ciepłowniczego lub energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej poprzez realizację funkcji sterowania zużyciem energii w budynku i instalację lokalnych źródeł OZE.
Podsumowanie
Przedmiotem tego artykułu było przedstawienie układu technologicznego hybrydowego węzła cieplnego wraz z systemem informatycznym, który wspomaga sterowanie nim. Hybrydowy węzeł cieplny jest zasilany w ciepło zarówno z systemu ciepłowniczego, jak i przez źródła odnawialne. Ponadto hybrydowy węzeł cieplny jest wyposażony w akumulator, który może być ładowany zarówno ciepłem z systemu ciepłowniczego, jak i ze źródeł odnawialnych. Jego rozładowywanie natomiast może się odbywać na instalację c.o. lub c.w.u.
Sterowanie hybrydowym węzłem cieplnym odbywa się za pomocą opracowanego przez NG Heat nadrzędnego systemu IT. Zadaniem tego systemu jest nadzór i sterowanie węzłem, źródłami odnawialnymi oraz umożliwienie zarządzania zużyciem energii w budynku. W systemie tym zostały zaimplementowane zaawansowane technologie teleinformatyczne, znane między innymi z założeń koncepcji „Przemysł 4.0”. Są to:
– digitalizacja informacji i pełna integracja podsystemów i komponentów automatyki,
– monitorowanie i kontrolowanie wszystkich podprocesów składających się na system,
– wykorzystanie łączności sieciowej, w tym technologii bezprzewodowych i internetowych dla uzyskania dostępu do praktycznie każdej przydatnej informacji, w dowolnym czasie, z dowolnego miejsca, tak przez administratora systemu grzewczego, jak i użytkowników budynków,
– zastosowanie modeli matematycznych w projektowaniu i realizacji algorytmów sterowania,
– wykorzystanie koncepcji „internetu rzeczy” dla wymiany informacji pomiędzy urządzeniami, systemami i użytkownikami (m. in. poprzez wykorzystanie aplikacji na smartfony, jako interfejsu użytkownika pomieszczenia),
– likwidacja bariery człowiek/urządzenie poprzez zastosowanie inteligentnych i przyjaznych interfejsów użytkownika systemu,
– przetwarzanie „on-line” i analiza wielkich zbiorów danych pochodzących z setek czujników w chmurze obliczeniowej.
Zaprezentowany układ hybrydowego węzła cieplnego wraz z nadrzędnym systemem IT pozwala osiągnąć oszczędności w zakupie ciepła na poziomie od 35 do 65% w zależności od mocy zainstalowanej w odnawialnych źródłach energii i stanu wyjściowego budynku. Wdrażanie tego typu rozwiązań jest szansą dla przedsiębiorstw ciepłowniczych na transformację eksploatowanych przez nie systemów i na opracowanie nowej oferty dla odbiorców ciepła.
NG Heat Sp. z o.o. pomaga przedsiębiorstwom ciepłowniczym w transformacji energetycznej ich systemów ukierunkowanej na:
– rezygnację z wykorzystywania paliw kopalnych (węgla i gazu ziemnego),
– stopniowe wdrażanie systemów niskotemperaturowych,
– elektryfikację ciepła,
– digitalizację węzłów cieplnych i innych części infrastruktury ciepłowniczej,
– opracowywanie nowej oferty dla odbiorców ciepła,
– opracowywanie nowych modeli biznesowych (np. Heat as a Service).
NG Heat Sp. z o.o. na bazie posiadanych rozwiązań oferuje także szereg usług dla końcowych odbiorców ciepła, w tym ukierunkowanych na wykorzystywanie indywidualnych odnawialnych źródeł energii do ogrzewania budynków i podnoszenia ich efektywności energetycznej.
Realizacja projektu została dofinansowana z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój na lata 2014-2020 – Działanie 1.2 Sektorowe programy B+R (konkurs IUSER)
Opracowanie: Marcin Klimczak, Krzysztof Kołek, Marcin Wierzbiński, NG Heat Sp. z o.o.
