Energiamonitoring a tisztatértechnikai berendezésekhez

Ábra 1: A központi adatgyűjtő modul üzembe helyezése a szellőzőközpontban

Ábra 2: A DMAIC folyamat mint része egy Six Sigma fejlesztési folyamatnak

Ábra 3: A használt energiafigyelő rendszer elve

Ábra 4: A légtéchnikai alapelvrajz az üzemről (WRG = hővisszanyerés; MK = keverőkamra; KÜ = hűtő; BEF = gőznedvesítő; NE = utómelegítő; PWT = lemezes hőcserélő)

Ábra 5: Hibás WRG-szabályozás az üzemeltetésben: egyidejű fűtés és hűtés

Táblázat 1: Az elemzett RLT-beruházási változatok áttekintése

Ábra 6: A vizsgált berendezéstípusok meghatározott energiafogyasztása vagy energiaigénye, 2012. június - december.

Dipl.-Ing. (FH) Polina Bitsch (Projektmérnök STZ Euro)

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

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Hoferer (Projektmérnök STZ Euro)

Speciális energiafigyelő rendszer segítségével időben szoros időközönként rögzíthetők a helyiséggépészeti berendezések (RLT-berendezések) mérési és fogyasztási adatai. Ezáltal felismerhetők az optimalizálási lehetőségek, különösen szabályozástechnikai területen, amelyek magas energia- és költségmegtakarításhoz vezethetnek anélkül, hogy megsértenék a GMP-előírásokat. A megvalósított intézkedések eredményességét kvantitatív módon, időjárás-kiigazítva lehet bizonyítani.

Kezdeti helyzet

Egy tisztatér-üzemeltető (sterilgyártás) energia-megtakarítási intézkedésként az meglévő RLT-berendezéseknél a keverőventilátor szabályozásának optimalizálását tervezi. Ennek során minden nyolc, eddig minimális külső levegő aránnyal működő RLT-berendezést utólag felszerelnék egy entalpiavezérelt keverőventilátor szabályozással, hogy kihasználják a „szabad hűtést”. Előzetesen meg kell vizsgálni egy reprezentatív RLT-berendezés hatékonyságát a tervezett intézkedésekre. Ehhez egy kiválasztott berendezésen aktiválták az entalpiavezérelt keverőventilátor szabályozást, és egy speciális energiafigyelő rendszer (lásd 3. ábra) segítségével rögzítették és elemezték a mérési adatokat és az energiaáramokat. Az aktuális állapot értékeléséhez egy szimulációs modellt készítettek a minimális külső levegő aránnyal működő RLT-berendezésről. A vizsgálat eredményei (energia-megtakarítás) döntési alapként szolgáltak a további lépésekhez.

Energiafigyelés az aktuális állapot felméréséhez

Az energiafigyelés része a DMAIC folyamatnak (Six Sigma módszer), amely a 2. ábrán bemutatott Measure (M) és Control (C) fázisokat foglalja magában. Az RLT-berendezések energiafigyelése egy olyan eljárás, amely a légkondicionáló berendezés óránkénti hőmérsékleti levegőállapot-változásainak energiaigényét méri, az adott időszakban rögzített időjárási adatok és a releváns rendszeradatok, például levegő hőmérséklete, páratartalma, térfogatárama alapján. [1], [3] Az energiafigyelés során meghatározott energiafogyasztások tartalmazzák a légkondicionálás energiaáramait a kívánt beltéri levegőfeltételek eléréséhez, valamint szükség esetén a hűtés, melegítés és gőztermelés energiaátalakulási veszteségeit.

Ezen módszerrel szemben a mennyiségmérővel történő mérésnél lehetőség nyílik a szabályozástechnikai hibák felismerésére, mivel minden releváns mérési adat rendelkezésre áll a megfelelő elemzéshez.

A szükséges rendszeradatokat különböző módokon lehet rögzíteni és továbbítani. A meghatározott energiafogyasztás pontossága kizárólag a szenzorok helyétől és mérési pontosságától függ. Ezért célszerű a mérés megkezdése előtt minden szükséges érzékelőt és mérési helyet kijelölni, illetve ellenőrizni a meglévő szenzorok alkalmasságát. Továbbá ki kell dolgozni egy biztonságos és lehetőség szerint automatizált adatátviteli módot.

A vizsgált meglévő berendezés esetében az adatokat többek között a már telepített szenzorok mérték, és a meglévő épületautomatizálási szoftver segítségével 10 perces átlagértékek formájában rögzítették. Emellett további szenzorokat is telepítettek, és az adatokat egy speciális méradat-feldolgozó szoftverbe importálták, majd az energiafogyasztás és gyenge pontok elemzésére használták. A használt energiafigyelő rendszer működési elvét a 3. ábra mutatja be.

A vizsgált RLT-berendezés 32 000 m³/h frisslevegőt biztosít a gyártási helyiségek számára, és folyamatosan üzemel, lásd az 4. ábra sémáját. A berendezés a következő hőtechnikai levegőkezelési szinteket tartalmazza:

- KVS-melegvíz-visszanyerés integrált lemezes hőcserélővel,
- Szellőztető keverés (keverőkamra),
- Hűtés nedvesítéssel (hidegvíz hűtés),
- Gőzös párásítás,
- Utómelegítés

és állandó térfogatáram mellett, állandó frisslevegő- és elszívó levegővel működik.

A berendezés adatait 2012 júniusa és decembere között gyűjtötték, így lehetőség nyílt a berendezés működési módjának nyári, téli és átmeneti időszakban történő elemzésére. E közben megállapították, hogy a berendezés néhány szabályozástechnikai hibát mutat. Az újonnan aktivált entalpiavezérelt keverőventilátor szabályozás hibátlanul működött, de nem volt összehangolva a külső levegőcsatornában lévő WRG (hővisszanyerő rendszer) szabályozásával, amelyet egy másik gyártó szállított. Ennek eredményeként a WRG, beleértve a lemezes hőcserélőt, gyakran túlmelegítette a levegőt, ami plusz hűtési energiát eredményezett a következő hűtőregiszterrel (lásd az 5. ábra diagramját).

A plusz energiafogyasztás értékeléséhez egy hibamentes aktuális állapot szimulációját végezték el (A változat, lásd 1. táblázat).

Berendezés szimulációja az értékelés alapjául

Az éves energiaigény hatékony kiszámítására a berendezés szimulációja megfelelő szimulációs programok segítségével vált bevett gyakorlattá. Ez a szimuláció a légkondicionáló berendezés óránkénti hőmérsékleti levegőállapot-változásainak energiaigényének kiszámítását jelenti. Ehhez a légkezelő egységek tényleges elrendezéseit, teljesítményadatait, a megvalósított szabályozási funkciókat és szekvenciákat, valamint a helyszíni időjárási adatokat veszik figyelembe.

Az eltérő keverőventilátor szabályozási módok összehasonlítására egy másik szimulációs modellt készítettek az állandó külső levegő aránnyal működő változat (B változat). Egy további változat célja a megtakarítási potenciál feltárása a páratartalom-szabályozás optimalizálásával (a kívánt értéktartomány ± 5% r.F. kiterjesztése, C változat).

Mivel a ventillátorok működési módjának változtatása nem befolyásolja jelentősen az elektromos teljesítményfelvételt, a változatok összehasonlításánál elhagyták az energiafogyasztás mérését. Egyszerűsítésképpen nem vették figyelembe az energiaátalakulási tényezőket, így csak a központi egységhez átadott hasznos energiát vizsgálják.

Eredmények

Az 6. ábrán látható, hogy a teljes energiaigény a mérési időszakban változik, a vizsgált változat szerint 363 MWh (C változat) és 570 MWh (aktuális állapot) között. Az aktuális állapot a hibás szabályozás és néhány érzékelő helytelen mérési pontja miatt a legmagasabb energiafogyasztást mutatja. Az aktuális állapotot tekintve, mint 100%-ot, a hibák kijavítása utáni összesített energiafogyasztás (A változat) 89%-ra csökkenne. Az A változat a változó külső levegővel való üzemelés miatt jelentősen kevesebb hűtési energiát igényel, mint a B változat (-17%). Viszont a párásítás energiafogyasztása nő (+7%). Ez összesen 49 MWh, azaz 9%-os összegszerű energia-megtakarítást eredményez a entalpiavezérelt keverőventilátor szabályozás.

Az A változat (hiba nélküli aktuális állapot) összehasonlítva a C változattal, további 29%-os energia-megtakarítást mutat a páratartalom-szabályozás optimalizálásával. A C változat a legenergiatakarékosabb üzemmód, amely költséges beruházások nélkül és a GMP-előírásokat sértetlenül valósítható meg.

Összegzés

A fent leírt elemzés alapján mind a nyolc berendezés esetében aktiválják az entalpiavezérelt keverőventilátor szabályozást, és kijavítják a mérési hibákat. Emellett a páratartalom-szabályozási értékeket a fentiek szerint optimalizálják (lásd [2]). A minimális külső levegő aránnyal működő üzemmódhoz képest várható energia-megtakarítás kb. 36%, ami a referencia berendezés esetében kb. 28 000 eurós éves költségmegtakarítást jelentene, és a nyolc berendezés összesen kb. 174 000 eurót évente. A energiafigyelést egy évvel meghosszabbítják, hogy a várható megtakarításokat megerősítsék.

A projekt keretében végzett energiafigyelés és a berendezés szimulációja egyértelműen mutatja, hogy az RLT-berendezések energiahatékonyságát erősen befolyásolja a választott szabályozási koncepció. Az energiafigyelés nemcsak az energiafogyasztás mérését teszi lehetővé, hanem különböző szabályozástechnikai hibák, például a párhuzamos előmelegítés és hűtés felismerését is. A hibák kijavítása beruházási költségek nélkül jelentős mértékben hozzájárulhat az RLT-berendezések energia-megtakarításához.

Irodalom
[1] VDI 2083 Blatt 4.2: Szabadtéri technológia - Energiahatékonyság, 2011. április.
[2] Bitsch, P. és Kuhn, M.: Energiahatékony párásítás tisztatéri klímaberendezésekben. In: Reinraumtechnik 2010 (2), 16-20. oldal.
[3] Kuhn, M.: Új módszer a tisztatéri klímaberendezések működésének optimalizálására. In: VDI-Berichte; 2083, Frankfurt, 2009, 195-203. oldal.