Energiemonitoring pro zařízení pro čisté prostory

Obrázek 1: Zprovoznění centrálního modulu sběru dat v řízení větrání

Obrázek 2: DMAIC proces jako součást procesu zlepšování Six Sigma

Obrázek 3: Princip použití monitorovacího systému energie

Obrázek 4: Technické schéma vzduchového systému zařízení (WRG = zpětné získávání tepla; MK = míchací komora; KÜ = chladič; BEF = zvlhčovač páry; NE = přihřívač; PWT = deskový výměník tepla)

Obrázek 5: Chybné řízení WRG zařízení: současné vytápění a chlazení

Tabulka 1: Přehled analyzovaných variant RLT zařízení

Obrázek 6: Zjištěná spotřeba energie nebo energetická náročnost zkoumaných variant zařízení, období červen - prosinec 2012.

Dipl.-Ing. (FH) Polina Bitsch (Projektová inženýrka STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Michael Kuhn (ředitel STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Hoferer (Projektový inženýr STZ Euro)

Pomocí speciálního monitorování energie lze zaznamenávat časově úzce rozlišená měření a údaje o spotřebě u vzduchotechnických systémů (RLT systémy). Díky tomu je možné identifikovat potenciál optimalizace, zejména v oblasti řídicí techniky, což může vést k výrazným úsporám energie a nákladů, aniž by došlo k porušení požadavků GMP. Úspěšnost implementovaných opatření lze kvantitativně a sezónně upraveně prokázat.

Výchozí situace

Provozovatel čistých prostor (sterilní výroba) plánuje jako opatření ke snížení spotřeby energie optimalizaci řízení směšovacích klapek vzduchu u stávajících RLT systémů. Mělo by být modernizováno všech osm systémů, které dosud pracují s minimálním podílem venkovního vzduchu, na řízení směšovacích klapek na základě entalpie, aby bylo možné využít tzv. „volné chlazení“. Nejprve měla být zkoumána účinnost plánovaných opatření na reprezentativním RLT systému. K tomu byla aktivována řízení směšovacích klapek na základě entalpie u vybraného systému a pomocí speciálního energetického monitorovacího systému (viz obrázek 3) byly zaznamenány a analyzovány měřicí data a energetické toky. Pro hodnocení aktuálního stavu byl vytvořen simulační model RLT systému s minimálním podílem venkovního vzduchu. Výsledky analýzy (úspora energie) sloužily jako základ pro rozhodnutí o realizaci opatření.

Energetické monitorování pro aktuální záznam

Monitorování energie je součástí procesu DMAIC (metoda Six Sigma) a zahrnuje fáze Measure (M) a Control (C), jak je znázorněno na obrázku 2. Pod pojmem energetické monitorování RLT systémů se rozumí metoda zaznamenávání energetické náročnosti pro hodinové změny termického stavu vzduchu v zařízení na úpravu vzduchu, založená na vyhodnocení a zpracování počasových dat a relevantních údajů o zařízení, jako jsou teplota vzduchu, vlhkost, objemový průtok atd., zaznamenaných během zvolené časové periody [1], [3]. Energie spotřebovaná podle tohoto monitorování zahrnuje toky energie na přípravu vzduchu pro dosažení požadovaných podmínek v místnosti a případně i ztráty energie při výrobě chladu, tepla a páry.

Kromě toho lze při této metodě zaznamenávání odhalit řídicí technické chyby, na rozdíl od použití měřičů energie, protože jsou k dispozici všechny relevantní měřicí data pro analýzu.

Požadovaná data zařízení lze zaznamenávat a přenášet různými způsoby. Přesnost zjištěných spotřeb energie je určena pouze polohou a přesností použitých senzorů. Proto je vhodné před zahájením měření stanovit všechny potřebné senzory včetně měřicích míst nebo zkontrolovat vhodnost stávající sensoriky. Dále je třeba navrhnout zabezpečený a co nejvíce automatizovaný způsob přenosu dat.

U zkoumaného stávajícího zařízení byla data mimo jiné měřena již instalovanými senzory a zaznamenávána jako průměrné hodnoty za 10 minut pomocí stávajícího softwaru pro správu budov. Dále byly instalovány a zaznamenány další senzory. Uložená měřicí data byla importována do speciálního softwaru pro zpracování měřicích dat a použita k výpočtu spotřeby energie a analýze slabých míst. Princip použití systému monitorování energie je znázorněn na obrázku 3.

Uvažované RLT zařízení zásobuje výrobní prostory vzduchem o objemu 32 000 m³/h a je v provozu nepřetržitě, viz schéma na obrázku 4. Systém má následující stupně tepelné úpravy vzduchu:

-  KVS - rekuperace tepla s integrovaným deskovým výměníkem,
-  Míchání zpětného vzduchu (směšovací komora),
-  Chlazení s odvlhčováním (chladicí voda),
-  Parní zvlhčování
-  Dohřev

a je provozován s konstantním objemem přívodního a odvodního vzduchu a s konstantními podmínkami přívodu vzduchu.

Data měření byla zaznamenána od června do prosince 2012, což umožnilo analyzovat provoz zařízení během letních, zimních a přechodových dnů. Jako vedlejší efekt bylo zjištěno, že zařízení má některé řídicí technické chyby. Nově aktivované řízení směšovacích klapek na základě entalpie fungovalo bez problémů, ale nebylo sladěno s řízením rekuperace tepla v externím vzduchovém kanálu, který byl dodán jiným výrobcem. Rekuperace včetně deskového výměníku často předhřívala vzduch více, než bylo nutné, což vedlo k dodatečné spotřebě chladicí energie přes zařazení chladicího registru (viz diagram na obrázku 5).

Pro hodnocení zvýšené spotřeby způsobené řídicími chybami byla pomocí simulace zařízení simulována chybová verze stavu (varianta A, viz tabulka 1).

Simulace zařízení jako základ pro hodnocení

Jako efektivní metoda výpočtu roční spotřeby energie se ukázala simulace zařízení pomocí vhodných simulačních programů. Simulace znamená výpočet energetické náročnosti hodinových změn termického stavu vzduchu v zařízení na úpravu vzduchu. K tomu jsou využívány skutečné uspořádání a výkonové údaje prvků vzduchové úpravy, realizované řídicí funkce a sekvence a naměřená počasová data.

Pro porovnání různých typů řízení směšovacích klapek bylo vytvořeno další simulační model zařízení s konstantním podílem venkovního vzduchu (varianta B). Další variantou zařízení by mělo být zobrazení úspor energie díky optimalizaci požadovaných hodnot vlhkosti (rozšíření rozsahu požadovaných hodnot o ± 5 % r.F., varianta C).

Protože změna provozu klapek nemá významný vliv na elektrický příkon ventilátorů, při srovnání variant bylo upuštěno od stanovení spotřeby proudu zařízení. Energie přeměny nebyly zjednodušeně brány v úvahu, tj. zohledněna je pouze dodávaná užitná energie do centrálního zařízení.

Výsledky

Obrázek 6 ukazuje, že celková spotřeba energie v zaznamenaném období se pohybovala od 363 MWh (varianta C) do 570 MWh (aktuální stav). Aktuální stav vykazuje nejvyšší spotřebu energie kvůli chybám v řízení a nevhodným měřicím místům některých řídicích senzorů. Pokud bychom aktuální stav považovali za 100 %, celková energetická spotřeba (tepelická) po odstranění zjištěných chyb (varianta A) by činila 89 %. Varianta A má díky proměnlivému provozu s venkovním vzduchem výrazně nižší spotřebu chlazení (-17 %) než varianta B. Naopak spotřeba energie na zvlhčování vzduchu vzrůstá (+7 %). Celková úspora energie díky řízení směšovacích klapek na základě entalpie je tedy 49 MWh, tj. 9 %.

Porovnáním bezchybných aktuálních podmínek (varianta A) s variantou C lze dospět k dodatečné úspoře energie ve výši 29 %. Varianta C se ukazuje jako nejúspornější provozní režim, který lze realizovat bez nákladných opatření a bez porušení stanovených požadavků GMP.

Shrnutí

Na základě popsané analýzy bude u všech 8 zařízení aktivováno řízení směšovacích klapek na základě entalpie a odstraněny zjištěné chyby pomocí monitorování energie. Navíc budou požadované hodnoty vlhkosti optimalizovány dle popisu (viz [2]). Ve srovnání s provozem s konstantním minimálním podílem venkovního vzduchu lze očekávat úsporu energie přibližně 36 %, což odpovídá přibližně 28 000 € ročně na referenčním zařízení, a při extrapolaci na 8 zařízení přibližně 174 000 € ročně. Monitorování energie bude prodlouženo o jeden rok, aby bylo možné ověřit předpokládané úspory.

Monitorování energie prováděné v rámci tohoto projektu ve spojení se simulačním modelem ukázalo, že energetická účinnost RLT zařízení je silně ovlivněna zvoleným řídicím konceptem. Pomocí monitorování lze nejen určit spotřebu energie RLT zařízení, ale také odhalit různé řídicí technické chyby, například současné předohřívání a chlazení. Odstranění těchto chyb může výrazně přispět ke snížení spotřeby energie RLT systému bez nutnosti investic.

Literatura
[1]  VDI 2083 Blatt 4.2: Čistá technika - Energetická účinnost, duben 2011.
[2]  Bitsch, P. a Kuhn, M.: Energeticky efektivní odvlhčování v systémech klimatizace čistých prostor. In: Čisté prostory 2010 (2), s. 16-20.
[3]  Kuhn, M.: Nová metoda pro optimalizaci provozu systémů klimatizace čistých prostor. In: VDI-Berichte; 2083, Frankfurt 2009, s. 195-203.